Когда две инбредные линии кукурузы скрещиваются друг с другом, возникает интересный эффект: Гибридное потомство дает значительно более высокую урожайность, чем любое из двух родительских растений. Ученые из Боннского университета уже исследовали ряд генетически различных гибридов. Они показали, что у потомства было намного больше активных генов, чем у первоначальных родителей. Эти результаты могут помочь в выращивании еще более высокоурожайных сортов кукурузы. Они опубликованы в журнале Current Biology.
Селекционерам давно известно, что скрещивание разных инбредных линий положительно влияет на урожайность. Однако причины этого так называемого «эффекта гетерозиса» в значительной степени неясны. «По этой причине несколько лет назад мы более внимательно изучили одну конкретную комбинацию инбредных гибридов», - объясняет профессор доктор Франк Хоххолдингер из Института растениеводства и сохранения ресурсов (INRES) Боннского университета. «Мы смогли показать, что гибридное потомство имеет гораздо больше активных генов, чем его родители. Но в то время мы не знали, применимо ли это только к этой конкретной комбинации родительских растений или это был общий механизм».
В настоящем исследовании ученые изучили не одну, а шесть различных инбредно-гибридных комбинаций. Родительские инбредные линии были отдаленно связаны и равномерно распределены по всему филогенетическому дереву кукурузы. Это почти как связать таксу с овчаркой, затем с мопсом и, наконец, с лабрадором.
«Теперь мы проанализировали, какие гены были транскрибированы в исходных растениях, а какие в потомстве», - объясняет Ютта Бальдауф из INRES.«Это подтвердило результаты нашей предыдущей работы: гибриды всегда содержали гораздо большее количество активных генов, чем их родители».
Комплементация делает кукурузу более продуктивной
Растения кукурузы содержат по два варианта каждого гена, также известных как аллели. Один из этих аллелей исходит от самки, другой - от самца. Часто они не одинаково активны, один вариант читается чаще, чем другой. Некоторые аллели могут быть даже полностью выключены.
Поскольку размножение инбредных линий означает, что они самоопыляются на протяжении многих поколений, два аллеля большинства их генов идентичны. Это может привести к тому, что некоторые гены вообще не будут транскрибироваться. Однако эти гены могут быть активны в другой инбредной линии. Если эти родительские линии теперь скрещиваются друг с другом, активные гены одного родителя дополняют неактивные гены другого родителя в потомстве.
«Поэтому в среднем мы насчитываем больше активных генов у потомства», - объясняет Балдауф. И не только несколько: ученые оценивают генетический прирост в среднем от 500 до 600 дополнительных активных генов. Всего генетический материал кукурузы включает около 40 000 генов. «Комплементация генов SPE (сокращение от Single Parent Expression) может быть одним из факторов, почему гибриды работают лучше, чем их родители», - говорит профессор Хоххолдингер.
Кукуруза имеет много генов, которые практически не изменились на протяжении миллионов лет. Эти «старые» гены настолько важны для растения, что мутации в них могут резко повлиять на продуктивность растения. Напротив, большинство генов SPE развились позже в ходе эволюции. Они не берут на себя жизненно важных ключевых функций и поэтому могут быть активны в одной инбредной линии кукурузы, но не в другой. Многие из них относятся к определенным группам так называемых транскрипционных факторов. Это белки, которые регулируют активность других генов.
Результаты могут способствовать выращиванию более продуктивных сортов кукурузы в среднесрочной перспективе.«Благодаря генам SPE мы обеспечиваем растениеводов генетическими маркерами для этой цели», - подчеркивает Хоххолдингер. «Возможно, на основе этих маркеров можно будет выбрать конкретных партнеров для гибридизации, что может привести к получению особенно высокоурожайных гибридов». Они чрезвычайно важны для долгосрочного питания растущего населения мира: эксперты ожидают, что к 2050 году урожайность сельскохозяйственных культур должна вырасти на 70 процентов. В настоящее время кукуруза уже является самой продуктивной культурой; поэтому он играет особенно важную роль в питании.