Исследование, опубликованное в ведущем научном журнале Nature Plants, выявило ген, который контролирует доступность сахара к растущим семенным побегам, особенно в условиях затопления.
«Семя риса необычно среди сельскохозяйственных культур, потому что оно может прорасти и превратиться в молодое растение, способное улавливать световую энергию, даже когда весь процесс происходит под водой», — сказала Джулия Бейли-Серрес, одна из авторов статьи и профессор генетики в UC Riverside. "Выявленный ген — ген AG1 — помогает в этом процессе, позволяя эффективно перемещать запасы энергии, содержащиеся в семенах, в растущие побеги.
Посаженное под водой семя превращается в рассаду, которая может избежать мелкого наводнения."
Этот процесс, регулируемый этим новым геном, противоположен процессу, регулируемому геном SUB1A, который был обнаружен ранее и позволяет растениям риса выжить при полном погружении в воду из-за сезонного наводнения. Бейли-Серрес, который много работал над механизмом устойчивости к погружению, прокомментировал: «Растения с SUB1A по существу впадают в спячку, когда они находятся под водой; ситуация, когда сохраняются запасы энергии."
Удивительная находка
AG1 создает механизм ускользания «все или ничего», который заставляет семя думать, что его побегам — той части растения, которая превращается в стебли и листья — следует давать больше сахара, чтобы семя под водой могло расти быстрее и быстрее. достичь поверхности воды.
Механизм может работать на глубине воды до 10 см и может «активироваться», как только семена будут посеяны под водой.
«Ген, который позволяет семенам избежать наводнения, ген AG1, является одним из 13 генов риса», — пояснил Бейли-Серрес, директор Центра биологии клеток растений Калифорнийского университета в Риверсайде. "Команда университетских исследователей и группа специалистов по биотехнологии растений в Syngenta недавно продемонстрировали другим членам этого семейства, что они помогают растению перемещать сахар из листьев в молодые развивающиеся семена в оплодотворенных цветках.
Когда и куда переезжать и употреблять сахар — важно. Мы думаем, что важный ген сообщает клетке, что в ней недостаточно сахара — держите кран открытым, чтобы больше переместилось от семени к растущему побегу."
Выживать под водой
Выживаемость риса при затоплении также важна, когда речь идет о прямом посеве, когда семена не нужно предварительно проращивать, а затем пересаживать.
При прямом посеве семена можно высевать или рассыпать прямо в поле, а не кропотливо пересаживать в поле. Это очень важно для фермеров, выращивающих рис.
Более того, одним из основных факторов, ограничивающих прямой посев, являются сорняки, потому что они могут хорошо прорастать под воздухом, хотя и не под водой без воздуха, поэтому, если рис может хорошо прорастать под водой, а сорняки не прорастают, рис не прорастет. -Борьба с сорняками.
Тайна пропавшего гена
«Одна вещь, которую я заметил, — это то, что сорта Индики, которые в основном выращиваются в тропических частях Азии, очень не обладают характеристиками или способностью расти в условиях затопления, — сказал первый из IRRI Тобиас Кречмар. автор исследовательской работы. "Но в Японии, выращенной в более умеренных регионах Азии, Австралии или США, эта черта присутствует.
Вот почему у этих сортов меньше проблем с прямым посевом."
Он объяснил, что отсутствующий признак является проблемой, особенно с современными сортами индики, поскольку традиционные сорта имеют его, а современные — нет.
Ищу ответ
«Мы рассмотрели от трети до половины сортов, выпущенных IRRI, но ген отсутствует», — сказал Кречмар. «Сначала мы подумали, что, возможно, он был активно выведен, а это означает, что он имеет некоторый негативный эффект, поэтому селекционеры IRRI выбрали против него."
Исследователь IRRI Энданг Септининсих, который инициировал и возглавил проект, искал снижение урожайности или отрицательное влияние на урожайность со стороны AG1, но не обнаружил ничего.
«Мы действительно думаем, что оно потеряно», — сказал Кречмар. "И мы знали, где он потерялся. Ген был утерян на том этапе, когда был выведен знаменитый сорт чудесного риса IR8, потому что один из родителей имел ген, а другой — нет."
Соединение частей вместе
«Я думаю, это просто никогда не было необходимости в качестве признака, потому что почти каждый раз, когда сорта пересаживались, на это не оказывалось никакого давления», — объяснил Кречмар. "Если бы у них был прямой посев, то они, вероятно, сохранили бы этот ген с самого начала. Но теперь, когда прямой посев становится популярным, мы поняли, что нам нужен этот ген в программе разведения. Таким образом, в основном с помощью подхода обратного скрещивания с использованием маркеров, как это было сделано с интрогрессией гена SUB1A, что значительно сокращает период размножения, вы можете повторно ввести ген, а затем исправить его в течение полутора-двух с половиной лет."
Путь вперед
Однако с раскрытием «секрета AG1» работа исследовательской группы далека от завершения.
«AG1 хорошо работает в условиях умеренного стресса. Когда мы объединили его с геном SUB1A на том же генетическом фоне, он работал хорошо, хотя у них были противоположные механизмы.
Однако в тяжелых стрессовых условиях одного только AG1 недостаточно — потребуются дополнительные локусы количественных признаков (QTL) или гены, которые дополняют механизм AG1. IRRI и партнерские университеты упорно работают в этом направлении », — сказал Септинингсих, который недавно присоединился к кафедре почвоведения и растениеводства Техасского университета A&M.
Еще один важный вопрос, которым они занимаются, — могут ли семена, которые можно непосредственно засеять под водой — требующие стратегии побега, — также нести ген SUB1A для устойчивости к погружению.
Это вопрос, который Бейли-Серрес изучает с Септинингсихом и студенткой из Бангладеш Рейбаной Алам, которые внесли свой вклад в характеристику роли AG1 во время прорастания семян.