Ученые представили стратегию для быстрой селекции новых культур

Исследователи Института генетики и биологии развития Китайской академии наук представили новую стратегию селекции для быстрого создания сортов сельскохозяйственных культур, которые дают более высокую урожайность в обычных условиях и способны значительно снижать потери урожая при тепловом стрессе.

Чтобы прокормить 10-миллиардное население планеты к 2050 году, производительность фермерских хозяйств должна вырасти на 60%. В условиях современного уровня растениеводства это невозможно, кроме того, ученые предсказывают ухудшение ситуации из-за абиотического стресса, вызванного изменением климата.

Повышение температуры на 2 °C в течение вегетационного периода приведет к сокращению урожая на 3–13%. Чтобы обеспечить глобальную продовольственную безопасность и преодолеть проблемы в селекции, ученым необходимо срочно разработать «климатически умные» культуры, обеспечивающие более высокую урожайность в нормальных условиях и стабильную урожайность в условиях теплового стресса.

Физиологической основой урожайности и качества сельскохозяйственных культур являются отношения «источник — поглотитель». Ткани-источники (например, листья) являются производителями фотоассимилятов, т. е. углеводов, таких как сахароза. Напротив, ткани-поглотители (например, плоды, семена, корни, клубни и др.) используют или хранят фотоассимиляты.

Ген инвертазы клеточной стенки (CWIN) является важнейшим геном, регулирующим соотношение источника и поглотителя в растениях. Фермент, кодируемый этим геном, преобразует сахарозу, транспортируемую из листьев, в глюкозу и фруктозу в органах-поглотителях. Эти сахара не только являются необходимыми питательными веществами для развития плодов и семян, но и существенно влияют на сладость плодов и качество зерна.

Тепловой стресс подавляет активность гена инвертазы клеточной стенки и тем самым нарушает баланс между источником и поглотителем, что приводит к недостаточному поступлению энергии в поглощающие органы, снижению репродуктивного развития и снижению урожая.

Ученые разработали стратегию улучшения сортов культурных растений, основанную на климатически чувствительной оптимизации распределения углерода. Манипулируя экспрессией генов инвертазы клеточной стенки элитных сортов томатов и риса, ученые изменили чувствительность их тепловой регуляции в контролируемой и полевой среде.

Испытания сортов томатов в различных условиях выращивания, включая теплицы и открытый грунт, показали, что при нормальных условиях используемая стратегия повышает урожайность томатов на 14–47%.

В условиях теплового стресса урожайность плодов с одного участка увеличивалась на 26–33% по сравнению с контролем, потери плодов, вызванные тепловым стрессом, сократились на 56,4, до 100%. Также улучшились сортовые показатели: однородность и содержание сахара.

Сорта риса, улучшенные с помощью данной стратегии, показали увеличение урожайности на 7–13% в обычных условиях и на 25% в условиях теплового стресса. Потери зерна, вызванные тепловым стрессом, сократились на 41%.

Данная стратегия селекции уже применяется к таким культурам, как соя, пшеница и кукуруза.

Получение высокого урожая сельскохозяйственных культур невозможно при заражении семенного и посадочного материала фитопатогенами. Аккредитованные лаборатории Всероссийского центра карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») проводят исследования семенного и посадочного материала на наличие латентного заражения по оригинальным методикам, разработанным научными подразделениями учреждения, обеспечивая фитосанитарную безопасность страны.

Источник: Lou, Huanchang et al. Engineering source-sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice. DOI 10.1016/j.cell.2024.11.005