Ген кукурузы, выявленный в ходе 118-летнего эксперимента в Университете Иллинойса, может повысить урожайность современных элитных гибридов без дополнительных затрат. Этот ген, выявленный в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Plant Biotechnology Journal, контролирует критически важный этап старения или сезонного отмирания кукурузы. Когда ген выключен, выращенные в поле элитные гибриды дают в среднем на 4,6 бушеля с акра больше, чем стандартные растения.
Начавшийся в 1896 году, эксперимент в Иллинойсе был разработан, чтобы проверить, можно ли изменить состав зерна кукурузы с помощью искусственного отбора, относительно новой концепции, введенной Чарльзом Дарвином всего 37 лет назад. Повторная селекция линий кукурузы с высоким и низким содержанием белка дала ожидаемый эффект в течение примерно 10 поколений. Однако по мере продолжения отбора по признакам стали заметны дополнительные изменения.
«Еще в 1930-х годах было отмечено, что линия с низким содержанием белка остается более зеленой дольше, чем линия с высоким содержанием белка. Это действительно очевидно», - говорит Стивен Муз, профессор кафедры растениеводства. наук в Иллинойсе и соавтор исследования.
Подольше оставаться зеленым в течение сезона может означать большую урожайность. Растение продолжает фотосинтез и направляет энергию на развитие зерна. Но до сих пор никому не был известен конкретный ген, отвечающий за способность оставаться зелеными у кукурузы.
«Свойство оставаться зеленым - это своего рода «фонтан молодости» для растений, потому что оно продлевает фотосинтез и повышает урожай», - говорит Энн Сильвестр, программный директор Национального научного фонда, который финансировал это исследование. «Это великое фундаментальное открытие, имеющее практическое значение."
Открытие гена стало возможным благодаря десятилетнему государственно-частному партнерству между Иллинойсом и Corteva Agriscience. Сотрудники Moose и Illinois первоначально предоставили ученым Corteva доступ к популяции, полученной в результате длительного эксперимента с кукурузным белком, с различиями в признаке сохранения зеленого цвета. Ученые Corteva сопоставили свойство оставаться зеленым с определенным геном NAC7 и разработали растения кукурузы с низкой экспрессией этого признака. Как и родитель с низким содержанием белка, эти растения дольше оставались зелеными. Они тестировали эти растения в теплицах и на полях по всей стране в течение двух полевых сезонов.
Кукуруза не только прекрасно росла без NAC7, но и увеличила урожайность почти на 5 бушелей с акра по сравнению с обычными гибридами. Примечательно, что полевые результаты были получены без добавления азотных удобрений сверх того, что обычно используют фермеры.
«Сотрудничество с Университетом Иллинойса дает нам возможность применить передовые технологии в одном из самых продолжительных исследований в области генетики растений», - говорит Джун Чжан, научный сотрудник Corteva Agriscience и соавтор исследования..«Выводы, которые мы извлекаем из этих отношений, могут привести к увеличению производства бушелей без увеличения производственных затрат, что потенциально повысит как прибыльность, так и производительность фермеров».
Команда Муса секвенировала ген NAC7 в линиях кукурузы с высоким и низким содержанием белка и смогла выяснить, как этот ген способствует старению и почему он перестал работать в кукурузе с низким содержанием белка.
"Мы могли точно увидеть, что это была за мутация. Кажется, она произошла где-то за последние 100 лет этого эксперимента и, к счастью, сохранилась, так что мы можем извлечь из нее пользу сейчас", - говорит Мус.
Он не может точно сказать, когда произошла мутация, потому что в 1920-х годах факультет растениеводства выбросил оригинальные семена 1896 года.
«Они не знали тогда, что однажды мы сможем идентифицировать гены, контролирующие эти уникальные признаки. Но мы посмотрели на другую кукурузу и не нашли этой мутации», - говорит Мус.
В будущем потенциал этой инновации может включать коммерческие семена без или с пониженной экспрессией NAC7, что даст фермерам возможность увеличить урожайность без дополнительных удобрений.
Муз подчеркивает, что прогресс не мог бы произойти, если бы оба партнера не сели за стол.
«Эти долгосрочные эксперименты представляют ценность для семеноводческой отрасли и общества. Люди спрашивают меня, почему университетские ученые утруждают себя исследованиями кукурузы, когда этим занимаются компании», - говорит он. «Ну, да, они могут, и они могут делать вещи в большем и быстром масштабе, но они не часто вкладывают средства в исследования, окупаемость которых может занять десятилетия».