Простая генетическая модификация может утроить количество зерен сорго, засухоустойчивого растения, которое является важным источником пищи, корма для животных и биотоплива во многих частях мира. В новом исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications, ученые из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) выяснили, как это генетическое изменение повышает урожайность растения: за счет снижения уровня ключевого гормона, образования большего количества цветов и большего количества семян. Их открытие указывает на стратегию значительного повышения урожайности других зерновых культур.
Дорин Уэр, доктор философии, адъюнкт-профессор CSHL и научный сотрудник Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (ARS), руководила исследованием вместе с коллегой из ARS Чжангуо Синь, доктором философии. Их исследование было сосредоточено на высокоурожайных сортах сорго, выведенных несколько лет назад доктором Синь. Неизвестная генетическая мутация, вызванная химическим мутагенезом - методом, используемым в течение многих десятилетий селекционерами и исследователями для индуцирования генетических вариаций растений, - привела к увеличению количества зерен, т. е. семян, содержащихся в плодах, которые производит каждое растение.
Как и многие зерновые культуры, зерна сорго образуются в виде соцветий, которые развиваются из тщательно разветвленной структуры на верхушке растения, называемой метелкой. Каждая метелка может дать сотни цветков. Есть два типа цветков, и обычно только один из них, известный как сидячий колосок (СС), является фертильным. Другой тип цветка, называемый колоском на ножке (PS), не дает семян. Однако у модифицированных растений, полученных доктором Синь, как сидячие, так и колоски на ножке давали семена, что утроило количество зерен каждого растения.
Уэйр и ее команда хотели понять, что вызвало это резкое изменение. Полностью секвенировав геномы модифицированных растений, они обнаружили, что ключевые мутации затронули ген, регулирующий выработку гормонов. Растения, несущие мутацию, производят аномально низкий уровень гормона, регулирующего развитие, называемого жасмоновой кислотой, особенно во время цветения..
В ходе последующих экспериментов команда выяснила, что жасмоновая кислота препятствует образованию семян на колоске на ножке. «Поэтому, когда уровень растительного гормона низкий, мы завязываем семена на каждом цветке. Но когда уровень растительного гормона высокий, у нас уменьшается количество плодородных цветов, что в конечном итоге приводит к уменьшению количества семян», - объясняет доктор. Иньпин Цзяо из лаборатории Ware, соавтор новой статьи.
Теперь, когда команда обнаружила биологические изменения, которые утроили производство зерна сорго, они надеются применить ту же стратегию для увеличения производства зерна родственных растений, которые имеют жизненно важное значение в глобальном продовольственном обеспечении, таких как рис, кукуруза и пшеница. По словам Уэра, эти знания помогут улучшить урожай с помощью традиционных методов селекции, а также подходов, использующих преимущества технологий редактирования генома.