Группа ученых из Университета Клемсона добилась прорыва в генетике старения зерновых культур, что может существенно повлиять на будущее продовольственной безопасности в эпоху изменения климата.
Совместное исследование, изучающее генетическую архитектуру малоизученного процесса старения кукурузы (также известной как кукуруза) и других зерновых культур, было опубликовано в The Plant Cell, одном из ведущих рецензируемых научных журналов о растениях. наук. Раджан Секхон, генетик растений и доцент кафедры генетики и биохимии Колледжа наук, является ведущим и соответствующим автором статьи под названием «Интегрированный анализ в масштабе генома идентифицирует новые гены и сети, лежащие в основе старения кукурузы»."
«Старение означает «смерть клетки или органа в руках тех самых организмов, частью которых они являются», - сказал Сехон. «Это происходит почти везде, даже у животных. Мы убиваем клетки, которые нам не нужны. поддерживают листья, они убивают их листья. Все дело в экономии энергии».
В результате листья отмирают после проявления цвета. Энергия, извлеченная из листьев, сохраняется в стволе или корнях растения и используется для быстрого воспроизводства листьев следующей весной. Это имеет смысл для деревьев. Но с некоторыми другими съедобными растениями, особенно с зерновыми культурами, такими как кукуруза, рис и пшеница, дело обстоит иначе.
«За этими культурами ухаживают очень тщательно, и фермеры снабжают их избыточными питательными веществами в виде удобрений», - сказал Сехон. «Вместо того, чтобы умирать преждевременно, листья могут продолжать производить пищу посредством фотосинтеза. Понимание триггеров старения таких культур, как кукуруза, означает, что ученые могут изменить растение таким образом, чтобы оно принесло пользу голодному миру».
Секхон, чья исследовательская карьера охватывает молекулярную генетику, геномику, эпигенетику и селекцию растений, основал свою лабораторию в 2014 году в качестве доцента. Он сыграл ключевую роль в разработке «генного атласа», широко используемого сообществом исследователей кукурузы. Он опубликовал несколько статей в ведущих рецензируемых журналах, посвященных изучению регуляции сложных признаков растений.
«Если мы сможем замедлить старение, это позволит растению оставаться зеленым - или не стареть - в течение более длительного периода времени», - сказал Сехон. «Селекционеры отбирали растения с поздним старением, не полностью понимая, как старение работает на молекулярном уровне».
Эти растения, называемые «зелеными», полностью оправдывают свое название. Они дольше остаются зелеными, дают более высокие урожаи и более устойчивы к факторам окружающей среды, вызывающим стресс у растений, включая засуху и жару..
Но даже с существованием постоянно зеленых растений было мало понимания молекулярных, физиологических и биохимических основ старения. Старение - сложный признак, на который влияет несколько внутренних и внешних факторов и который регулируется рядом генов, работающих вместе. Таким образом, готовые генетические подходы не эффективны для полного раскрытия этого загадочного процесса. Прорыв Сехона и его коллег стал результатом подхода системной генетики.
Секхон и другие исследователи изучили естественные генетические вариации признака «остаться зеленым» у кукурузы. Процесс включал выращивание 400 различных типов кукурузы, каждый из которых генетически отличается друг от друга на основе отпечатка ДНК (т. е. генотипа), а затем измерение их старения (т. е. фенотипа). Затем команда связала «генотип» каждой инбредной линии с ее «фенотипом», чтобы определить 64 гена-кандидата, которые могут управлять старением.
«Другая часть эксперимента заключалась в том, чтобы взять растение, сохраняющее зеленый цвет, и растение, не сохраняющее зеленый цвет, и посмотреть на экспрессию около 40 000 генов во время старения», - сказал Сехон. «Наши исследователи просматривали образцы каждые несколько дней и спрашивали, какие гены проявляют себя в течение определенного периода времени. Это выявило более 600 генов, которые, по-видимому, определяют, будет ли растение оставаться зеленым или нет.
"Одной из больших проблем с каждым из этих подходов является возникновение ложноположительных результатов, что означает, что некоторые из обнаруженных генов являются случайными, и случаев ложноотрицательных результатов, что означает, что мы упускаем некоторые из причинно-следственных связей. гены."
Поэтому Секхон и его коллеги должны были кропотливо объединить результаты двух крупных экспериментов, используя подход «паровой генетики», чтобы идентифицировать некоторые гены-мишени с высокой степенью достоверности, которые можно дополнительно протестировать, чтобы подтвердить их роль в старении. Они объединили наборы данных, чтобы сузить поле до 14 генов-кандидатов, и, в конечном итоге, подробно изучили два гена.
«Одним из самых замечательных открытий было то, что сахар, по-видимому, определяет старение», - сказал Сехон. «Когда сахара не удаляются от листьев, где они производятся посредством фотосинтеза, эти молекулы сахара начинают посылать сигналы, чтобы инициировать старение».
Однако не все формы сахара, содержащиеся в растениях, способны передавать сигналы. Один из генов, обнаруженных Секоном и его коллегами в ходе исследования, по-видимому, расщепляет сложные сахара в клетках листа на более мелкие молекулы сахара - шестиуглеродные сахара, такие как глюкоза и фруктоза, - которые способны передавать сигналы старения.
«Это двойной удар», - сказал Сехон. «Мы не только теряем эти дополнительные сахара, вырабатываемые растениями, которые могут накормить больше голодных ртов. Эти неиспользованные сахара в листьях начинают старение и останавливают процесс синтеза сахаров».
Последствия для продовольственной безопасности огромны. Сахара, производимые этими растениями, должны направляться в различные органы растений, которые можно использовать в пищу.
"Мы обнаружили, что растение тщательно следит за наполнением семян. Распределение сахара является ключевым фактором старения. Мы обнаружили, что даже у выращиваемых сортов кукурузы существует множество генетических вариаций. в США."
Некоторые растения заполняют семена, а затем могут начать заполнять другие части растения.
«По крайней мере, некоторые из остающихся зелеными растений способны делать это, накапливая дополнительную энергию в стеблях», - сказал Сехон. «Когда семя собрано, все, что остается на поле, называется соломой».
Stover можно использовать в качестве корма для животных или в качестве источника биотоплива. С ростом спроса на продовольствие и энергию растет интерес к выращиванию культур двойного назначения, которые дают как зерно, так и солому. По мере того, как сельскохозяйственных угодий становится мало, значение растений, которые позже стареют, возрастает, поскольку они производят больше энергии на одно растение.
Гены, выявленные в этом исследовании, вероятно, выполняют ту же функцию в других зерновых культурах, таких как рис, пшеница и сорго. Сехон сказал, что следующим шагом будет изучение функции этих генов с использованием мутантов и трансгеников.
«Конечная цель - помочь планете и накормить растущий мир. В условиях постоянно ухудшающегося климата, сокращения суши и воды и роста населения продовольственная безопасность является главной проблемой, с которой сталкивается человечество», - сказал Сехон.