Ученые выявили генетическую вариацию, которая обеспечивает повышение содержания белка примерно на 25 процентов у пшеницы, выращенной в полевых условиях, без потери урожайности.
Пшеница мягкая, или летняя — вид однолетних травянистых растений рода пшеница семейства злаки / © Flickr
Команда генетиков и биологов из британских Центра Джона Иннеса в Норидже и Университета Лидса, а также австралийского Аделаидского и немецкого Гейдельбергского университетов нашла способ выращивать пшеницу более высокого качества, зерно которой будет содержать больше белка. О своем открытии они рассказали в работе, недавно опубликованной в журнале Science Advances.
Пшеница мягкая, или летняя (лат. Triticum aestivum) — важнейший для человечества злак, на него приходится примерно 20 процентов белка и килокалорий, потребляемых в мире. Питательные зерна производят цветки, расположенные на боковых ветвях — колосках. Основной фактор, от которого зависит урожай, — количество колосков и цветков, образуемых соцветием. Между тем о генах или биологических процессах, контролирующих их формирование, мы знаем крайне мало: как отмечают авторы нового исследования, этот пробел частично обусловлен тем, что пшеница имеет гексаплоидный геном, состоящий из трех элементарных геномов и в длину превышающий 17 миллиардов пар нуклеотидов. То есть он в пять раз больше генома человека.
Столь сложный геном и ограничивал возможность проводить своевременные генетические анализы признаков развития, но недавние исследования предоставили необходимые ресурсы для определения генов, регулирующих развитие соцветий. В итоге специалисты получили новые возможности для повышения качества урожая.
«Каждый колосок состоит из двух колосковых чешуек и обычно дает от двух до четырех фертильных цветков. Такое расположение колосков хорошо сохранилось у дикорастущей и культурной пшеницы; однако существуют вариации, предоставляющие возможность идентифицировать гены, регулирующие архитектуру соцветия. Одна из таких вариаций — «парный колосок»: он характеризуется развитием двух колосков в отдельном узле, при этом вторичный колосок формируется непосредственно рядом с обычным первичным и ниже него. Парные колоски отличаются от других вариаций, таких как многорядные и разветвленные, которые включают несколько колосков либо удлиненных ветвей в одном узле», — пишут ученые.
Они провели скрининг парных линий, производящих колоски, в популяции пшеницы, методом под названием TILLING (Targeted Local Lesions IN Genomes, целевые локальные поражения в геномах) — это исследование функции генов, сочетающее случайный химический мутагенез, традиционно используемый генетиками, с эффективной технологией скрининга для выявления мутаций. Он не относится к ГМО и ранее позволял быстро внедрить нужный ген в существующий сорт пшеницы.
В итоге удалось идентифицировать несколько парных мутантных линий, продуцирующих колоски: две из них содержат мутации, за счет которых генерируется больше цветоносных парных колосков, в то же время примерно на 25 процентов повышается содержание белка в зерне — по сравнению с родственными линиями дикого типа.
«Более высокое содержание белка связано с повышенной гидравлической проводимостью соцветия и цветоноса и большей поставкой аминокислот к колосовому стержню, чему, скорее всего, способствует образование дополнительных сосудистых пучков в стебле. <…> Наши результаты предоставляют потенциальный метод улучшения качества зерна пшеницы и демонстрируют возможность клонирования генов, контролирующих развитие соцветий полиплоидной пшеницы, с использованием подхода мутагенеза», — подчеркнули авторы работы.
Поскольку увеличение содержания белка происходит без снижения урожайности, это открытие будет экономически выгоднее для селекционеров и производителей, чем просто повышение питательной ценности пшеницы. По мнению ученых, новые сорта станут доступны агрономам через два-три года.
