Тепловой стресс растений, вызванный изменениями климата, мешает повышать урожайность плодовых растений. Ученые разработали новую стратегию селекции зерновых и овощных культур CROCS, которая позволяет увеличить урожайность и снизить потери от теплового стресса. Стратегия, предполагающая модификацию ДНК культур, позволила повысить урожайность томатов при тепловом стрессе на 26–33%, а риса — на 25%. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell.
Урожайность сельскохозяйственных культур зависит от соотношения «источник» и «акцептор» (приемник). Источники — это ткани растений, такие как листья, которые являются основными производителями фотосинтетических продуктов, особенно углеводов, таких как сахароза. В противовес им «акцепторы» — это такие ткани, как плоды, семена, корни, развивающиеся цветы, волокна хлопка и органы хранения, которые в основном импортируют эту сахарозу, используя или храня ее.
Ген инвертазы клеточных стенок (CWIN) — это ген, который играет ключевую роль в регуляции соотношения «источник — акцептор» у растений. Он кодирует фермент, который «разгружает» и преобразует сахарозу, транспортируемую из листьев, в глюкозу и фруктозу внутри акцепторов, где эти сахара могут сразу же усваиваться и использоваться растением. Однако тепловой стресс подавляет активность CWIN. Это нарушает баланс «источник — акцептор». В результате в тканях-акцепторах не хватает энергии, что снижает темпы размножения растения, то есть его урожайность.
Снижение урожайности из-за теплового стресса может оказаться серьезной проблемой для людей. По прогнозам, к 2050 году на Земле будет проживать 10 млрд человек. Чтобы их прокормить, сельскохозяйственное производство должно увеличиться на 60%, а на деле из-за глобального потепления урожайность снизится примерно на 30%. Если не решить проблему, то уже скоро многие люди могут столкнуться с голодом.
Ученые разработали новую стратегию селекции CROCS, основанную на оптимизации распределения углерода к акцепторным тканям. Эта стратегия заключается в манипулировании экспрессией (активностью производства белка) генов CWIN в томатах и рисе. Ученые вставили фрагменты ДНК растений, которые помогают клеткам адаптироваться к высокой температуре (HSE), в участки ДНК, контролирующие активацию генов CWIN в элитных сортах риса и томатов. Вставка HSE позволила генам CWIN активно работать в условиях теплового стресса. Это увеличило распределение углерода к зернам риса и плодам томатов.
Тесты показали, что CROCS увеличивает урожайность томатов на 14–47% при нормальных условиях. При тепловом стрессе урожай по сравнению с контрольной группой повысился на 26–33%, а потери урожая удалось снизить на 56,4–100%. Помимо этого, ученым удалось повысить однородность плодов и содержание сахара в них.
Сорта риса, выращенные по этой стратегии, показали увеличение урожая на 7–13% при нормальных условиях и на 25% при условии теплового стресса. Ученым удалось снизить потери урожая от теплового стресса на 41%.
Ученые разработали стратегию селекции злаковых и овощных культур, которые смогут адаптироваться под изменение климата. Культуры показывают более высокую урожайность при нормальных условиях и значительно снижают потери урожая от теплового стресса.
Автор: Элина Яндиева.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
