Ученые нашли решение, как увеличить урожайность сахарного тростника

Сахарный тростник — одна из самых урожайных культур на планете, обеспечивающая производство 80% сахара и 40% биотоплива во всем мире. Размеры растения и эффективное использование им воды и света делают его главным претендентом для производства современных возобновляемых биопродуктов и биотоплива.

Сахарный тростник, являющийся гибридом Saccharum officinarum и Saccharum spontaneum, имеет самый сложный геном среди всех сельскохозяйственных культур. Эта сложность говорит о том, что улучшение сахарного тростника с помощью традиционной селекции является сложной задачей. Поэтому исследователи обращаются к инструментам редактирования генов, таким как система CRISPR/Cas9.

Группа ученых из Университета Флориды использовала эту генетическую сложность в своих исследованиях, применив систему CRISPR/Cas9 для точной настройки угла наклона листьев сахарного тростника. Эти генетические изменения позволили сахарному тростнику улавливать больше солнечного света, что в свою очередь, увеличило количество производимой биомассы.

Сложность генома сахарного тростника отчасти объясняется высокой степенью избыточности: он содержит множество копий каждого гена. Поэтому фенотип сахарного тростника обычно зависит от совокупной экспрессии нескольких копий определенного гена. Система CRISPR/Cas9 идеально подходит для решения этой задачи, поскольку ее можно спроектировать для одновременного редактирования нескольких или многих копий гена.

Данное исследование было сосредоточено на гене LIGULELESS1 или LG1, который играет важную роль в определении угла наклона листьев у сахарного тростника. Угол наклона листьев, в свою очередь, определяет, сколько света может уловить растение, что имеет решающее значение для производства биомассы. Поскольку геном сахарного тростника содержит 40 копий гена LG1, исследователи смогли точно настроить угол наклона листьев, отредактировав разное количество копий этого гена, в результате чего углы наклона листьев слегка отличались в зависимости от того, сколько копий LG1 было отредактировано. В ходе исследования ученые также смогли адаптировать архитектуру листьев, однако пока не нашли оптимальный угол, который привел к увеличению выхода биомассы.

При выращивании сахарного тростника в полевых условиях исследователи обнаружили, что фенотипы с прямостоячими листьями позволяют проникать большему количеству света под полог, что приводит к увеличению урожая биомассы. В частности, линия сахарного тростника, содержащая правки примерно в 12% копий гена LG1, демонстрировала уменьшение угла наклона листьев на 56%, дала 18%-е увеличение урожая сухой биомассы.

Оптимизируя сахарный тростник для улавливания большего количества света, повышается урожайность биомассы без необходимости внесения дополнительных удобрений. Кроме того, более глубокое понимание сложной генетики и редактирования генома помогает исследователям работать над усовершенствованием подходов к улучшению сельскохозяйственных культур.

Исследование нуклеотидной последовательности генома растений используют не только для поиска генов устойчивости, но и для дифференциации видов. Во Всероссийском центре карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») проводят исследования по расшифровке геномов инвазивных сорных растений для дальнейшей разработки специфических методов диагностики карантинных видов растений и соблюдения фитосанитарных требований стран-импортеров отечественной сельскохозяйственной продукции.

Источник: Eleanor J. Brant et al, The extent of multiallelic, co‐editing of LIGULELESS1 in highly polyploid sugarcane tunes leaf inclination angle and enables selection of the ideotype for biomass yield, Plant Biotechnology Journal (2024). DOI: 10.1111/pbi.14380