Зимы на востоке России очень холодные, температура воздуха в некоторых местах регулярно достигает -30 градусов по Фаренгейту. Это, казалось бы, негостеприимный климат, но местные растения нашли способ процветать там. Генетик растений из Университета Иллинойса Эрик Сакс подозревал, что одно из этих растений может стать ключом к выведению устойчивых к холоду пищевых культур и культур биомассы. Чтобы это выяснить, современный исследователь-ботаник вместе с коллегами из Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова отправился по востоку России собирать образцы многолетней травы Miscanthus sacchariflorus.
«Мискантус является частью трибы злаков Andropogoneae, в которую входят сорго, сахарный тростник и кукуруза», - объясняет Сакс. «Поскольку мискантус сахароцветковый встречается так далеко на севере, эта популяция мискантуса сахароцветкового, вероятно, является самой морозостойкой из этой группы. Если мы хотим улучшить морозостойкость этой очень важной группы растений, это будет лучшая популяция для изучения.."
Сакс и его коллеги собрали мискантус в 47 местах на востоке России, включая как минимум одно место, где Сакс не ожидал его найти; в этом случае он голыми руками вытащил его из земли. Фрагменты живых корневищ были отправлены обратно в U of I для генетического анализа и в Национальную систему зародышевой плазмы растений Министерства сельского хозяйства США для обслуживания и распространения среди ученых по всему миру для использования в селекции и исследованиях. Образцы также были переданы в генбанк ВИР.
Находясь в полевых условиях, команда Сакса также измерила признаки, которые можно использовать для прогнозирования производства биомассы: высоту, количество стеблей и диаметр стеблей. Когда специалист по генетике растений и ведущий автор отчета Линдсей Кларк проанализировала растительный материал в Университете I, она обнаружила несколько генетических маркеров, связанных с признаками, измеренными в полевых условиях.
«Обычно селекционерам приходится выращивать растения из этих коллекций и оценивать их в повторных полевых испытаниях», - говорит Сакс. «Это очень дорого и требует много времени. В будущем, когда люди будут заниматься коллекционированием, если есть наследуемые ценные черты, которые можно быстро измерить в полевых условиях, наши результаты показывают, что это может быть целесообразно. столь же совершенны, как повторные полевые испытания на нескольких участках, но это дает вам возможность начать."
Анализ также показал, что растения в коллекции были генетически разнообразны, и этот факт потенциально может быть использован селекционерами для выражения желательных признаков в новых сортах мискантуса или для придания большей холодостойкости его родственникам, сахарному тростнику и кукурузе.
Кроме того, большинство растений были диплоидными - каждая клетка содержала две копии каждой хромосомы - но 2 процента были тетраплоидными, с четырьмя копиями. Наиболее широко выращиваемый сорт мискантуса в Соединенных Штатах, M. × giganteus, представляет собой стерильный гибрид, полученный из тетраплоидного M. sacchariflorus и диплоидного M. sinensis.
У нас есть один генотип M. × giganteus, который прямо сейчас выращивается для получения биомассы. Когда у нас холодные зимы, как в начале 2014 года здесь, в Иллинойсе, это не очень хорошо. Это потому, что это из субтропической области Японии», - объясняет Кларк.
«Если бы мы использовали тетраплоиды из этой коллекции для создания новых стерильных сортов M. × giganteus, они бы обладали гораздо большей морозостойкостью, чем существующий сорт», - добавляет Сакс..
Исследовательской группе предстоит еще много работы, прежде чем новые сорта мискантуса поступят в продажу, но Сакс считает, что это исследование увенчалось успехом. «Генетическое разнообразие является основой для любого улучшения сельскохозяйственных культур, и коллекции зародышевой плазмы играют ключевую роль. Без них селекционеры не смогут значительно улучшить наши культуры с точки зрения урожайности, устойчивости и различных абиотических и биотических стрессов». он говорит.
В журнале «Анналы ботаники» опубликована статья «Экологическая характеристика и in situ генетические ассоциации признаков урожайности дикого мискантуса востока России». Исследование было поддержано грантами от Программы исследования растений Национальной системы зародышевой плазмы растений USDA-ARS и Управления биологических и экологических исследований Министерства энергетики.