Аномальное накопление углеводов - сахаров и крахмалов - в зернах и листьях мутантной линии кукурузы можно проследить до одного неправильно регулируемого гена, и это открытие дает представление о том, как растение справляется со стрессом.
Таков вывод исследователей штата Пенсильвания, чье предыдущее исследование обнаружило ген кукурузы ufo1, ответственный за создание мутантной линии кукурузы. Теперь они оценивают его влияние и потенциал для включения в селекцию новых линий кукурузы, способных лучше процветать в условиях потепления. Обнаружение более высокого уровня сахара в растительных тканях в их последнем исследовании - это еще один аспект, который следует учитывать генетикам растений.
«Это открытие имеет значение для продовольственной безопасности и создания новых линий сельскохозяйственных культур, которые могут лучше справляться с изменяющимся климатом - с кукурузой еще многое предстоит сделать», - сказал Суриндер Чопра, профессор генетики кукурузы в Колледж сельскохозяйственных наук. «На самом деле кукуруза обладает большим генетическим и фенотипическим разнообразием, и мы можем использовать это разнообразие и задать вопрос: «Как ген ufo1 распределяется в существующих 10 000 линий зародышевой плазмы?»
Могут ли генетики растений отобрать часть этого разнообразия и включить ген ufo1 для улучшения кукурузы? Это вопрос, на который Чопра пытается ответить, начиная с нового исследования, обнаружившего повышенный уровень сахара в семенах и листьях мутантной линии кукурузы.
Какие свойства кукурузы можно улучшить с помощью гена ufo1?
«Конечно, устойчивость к стрессу, но также вероятное развитие семян, что влияет на урожайность семян, а также на улучшение биомассы», - сказал Чопра. «И мы хотели бы разработать лучший тип растений, который мог бы расти в более густой культуре, но при этом быть более продуктивным. И, наконец, нам нужно обратить внимание на устойчивость и устойчивость. Можем ли мы вывести линии кукурузы, которые получают такой же урожай с меньшее количество удобрений и меньше воды?"
Чопра начала исследования гена кукурузы ufo1 из-за его связи с оранжево-красной пигментацией в мутантной линии кукурузы. Знаменитый генетик кукурузы Чарльз Бернхэм из Университета Миннесоты идентифицировал этот выдающийся мутант ufo1 примерно в 1960 году. Другой известный генетик кукурузы, Дерек Стайлз, из Университета Виктории, Канада, студент Бернхема, затем выбрал имя, которое расшифровывается как для "нестабильного фактора для оранжевого цвета".
В 1997 году Стайлз прислал семена Чопры для мутантной линии. С тех пор он внедрил его гены в инбредную линию, поддерживаемую его исследовательской группой в штате Пенсильвания. В 2019 году Чопра разгадал генетическую тайну ufo1.
Однако оказывается, что этот ген контролирует многие характеристики растений, помимо пигментации. Тем не менее, ufo1 - это всего лишь один ген, и он не функционирует один в геноме кукурузы, отмечает Чопра.
В растении кукурузы содержится более 30 000 генов, поэтому важно изучить, как ufo1 взаимодействует с другими генами, прежде чем генетики растений смогут использовать его для селекции нового типа сельскохозяйственных культур, добавил он. «Чтобы перейти к аспекту разведения, нам сначала нужно узнать, как на самом деле функционирует этот ген», - сказал Чопра. «Нам нужно узнать, как он взаимодействует с белками, и изучение этих белковых взаимодействий станет целью будущих исследований».
Но на данный момент это исследование показало, как изменяется накопление сахаров в семенах кукурузы в присутствии или в отсутствие гена ufo1, по словам Дебамалии Чаттерджи, докторанта агрономии, которая возглавляла исследование.
«В будущем мы могли бы использовать эти знания о гене ufo1 в селекции, чтобы проводить более качественные скрещивания, которые дают более устойчивые и более продуктивные гибриды, в которых сахар и крахмал находятся в равновесии», - сказал он..
Исследователи сделали шаг в этом направлении сегодня (3 мая), когда они опубликовали свои выводы в журнале Plant Physiology, сообщив, что мутантный ген кукурузы ufo1 влияет на дифференцировку клеток, влияет на накопление углеводов и гормонов в растении и модулирует экспрессию паттерны основных генов, участвующих в развитии семян кукурузы.
Все растительные материалы, проанализированные в исследовании, были выращены летом 2016-2020 годов в Центре сельскохозяйственных исследований Рассела Э. Ларсона в Рок-Спрингс, а также в теплицах и камерах для выращивания растений в кампусе Университетского парка штата Пенсильвания. Инбреды и генетические запасы были получены из Фондового центра сотрудничества в области генетики кукурузы, находящегося в ведении Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.
Национальный научный фонд и международная стипендия Индийского совета сельскохозяйственных исследований поддержали эту работу.