Учёные раскрыли генетические основы формы пшеничного колоса для повышения урожайности

Международная исследовательская группа под руководством Лу Фэя из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук и Го Цзыфэна из Института ботаники КАН идентифицировала ключевые генетические факторы, определяющие морфологию пшеничного колоса — критически важного признака для урожайности. Исследование опубликовано в журнале Cell Reports.

Форма пшеничного колоса напрямую влияет на количество зёрен и их массу — два основных компонента урожайности. Однако традиционные ручные измерения не позволяли захватывать детальные вариации в разных регионах колоса, что ограничивало усилия по раскрытию лежащих в основе генетических механизмов.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали платформу для высокопроизводительного фенотипирования на основе изображений, использующую 3D-сегментацию для точного измерения параметров колоса: длины, ширины, толщины, площади и объёма. Впервые они систематически количественно оценили 54 морфологических признака колоса, заложив критически важную основу для углублённого генетического анализа.

С помощью полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) учёные идентифицировали 288 значимо ассоциированных геномных регионов в глобальной панели из 306 образцов пшеницы и точно определили 303 ключевых региона в 1053 китайских сортах. Они обнаружили, что географическая дифференциация и тенденции селекционного отбора в морфологии колоса (например, межконтинентальные различия в объёме колоса) в основном регулируются комбинациями гаплотипов.

Разные гаплотипы в регионе хромосомы 2D (содержащем гены TaDA1 и Rht8) значительно модулируют длину и ширину колоса

Отрицательная корреляция между длиной и шириной/толщиной колоса, часто наблюдаемая в мировых лендрейсах, была преодолена в современной селекции путём отбора синергетических гаплотипов. Анализ столетней истории селекции в Китае показал, что хотя длина колоса оставалась стабильной, постоянное увеличение ширины и толщины привело к значительному увеличению объёма колоса.

Гаплотипы, контролирующие объём колоса в разных пространственных разделах, показали направленное обогащение в ходе современной селекции. Например, частота благоприятного гаплотипа C-trait51-5B.2 резко возросла с 12.6% до 61.14%. Молекулярная валидация показала, что благоприятный гаплотип TraesCS1D02G068300 может увеличить объём колоса на 53.23%.

Это критически важное открытие не только подтверждает, что «укладка» гаплотипов является эффективной стратегией для повышения урожайности, но и предоставляет ключевые теоретические основы и ценные генетические ресурсы для молекулярного дизайна высокоурожайных сортов пшеницы.

Дополнительная информация: Kuocheng Shen et al, Dissection of genomic drivers of spike morphology changes in wheat by high-throughput phenotyping, Cell Reports (2025). DOI: 10.1016/j.celrep.2025.116120