Учёные нашли способ создавать устойчивые к стрессу сельскохозяйственные культуры

Международная группа исследователей раскрыла генетический секрет в семенах ячменя, который может помочь защитить мировые запасы продовольствия от непредсказуемых последствий изменения климата. Исследование, опубликованное 6 ноября в журнале Science, идентифицирует специфический биологический «таймер», который контролирует, когда семя решает «проснуться» и начать рост.

В работе принимали участие учёные из ведущих институтов Китая, Дании, Франции и Великобритании. Их внимание было сосредоточено на признаке, называемом семенным покоем, — естественном состоянии сна, которое предотвращает прорастание семян даже при благоприятных условиях окружающей среды. Хотя это помогает растениям выживать в дикой природе, для современного сельского хозяйства это создаёт то, что ведущий исследователь Ван Юйчэн называет «палкой о двух концах».

Ван, профессор Института исследований Тибетского плато Китайской академии наук, объяснил, что если семена просыпаются слишком рано, они могут прорасти, ещё находясь на растении до сбора урожая. Эта проблема, известная как предуборочное прорастание, портит качество зерна и приводит к ежегодным потерям более чем на 1 млрд долларов США (~80 млрд рублей). С другой стороны, если семена спят слишком долго, они не успеют вырасти к следующему сезону посадки, что срывает весь сельскохозяйственный цикл.

Используя передовую технологию картирования ДНК, которая позволяет учёным читать длинные цепочки генетического кода, команда идентифицировала ген MKK3 как главный регулятор этого процесса. Кристоф Доктер, руководитель отдела селекции злаков и разработки признаков в Исследовательской лаборатории Carlsberg в Дании, заявил, что продолжительность покоя семени определяется тем, сколько копий этого гена присутствует и насколько они активны. Большее количество копий гена действует как более громкий будильник, сокращая период покоя и заставляя семя прорастать быстрее.

Проанализировав более 1000 образцов ячменя со всего мира, команда обнаружила, что в разных регионах естественным образом отобрались различные версии этого гена для выживания в местных погодных условиях. Во влажных муссонных регионах Восточной Азии ячмень эволюционировал с «более тихой» версией гена, чтобы дольше оставаться в состоянии покоя, защищая урожай от раннего прорастания под дождём.

В отличие от этого, древние викинги в Северной Европе отбирали ячмень с более коротким периодом покоя, чтобы обеспечить быстрый и равномерный рост своих культур, что было жизненно важно для производства качественного пива. Эти древние фермеры даже использовали технику копчения-сушки, чтобы предотвратить слишком раннее прорастание их быстрорастущих семян.

Исследование также выделило уникальный сорт ячменя под названием цинкэ, или голозёрный ячмень, найденный на Цинхай-Тибетском нагорье. Этот сорт развил то, что можно описать как «режим наивысшей активности» в мире. Благодаря долгосрочному отбору и селекции, цинкэ развил одну из самых сильных активностей гена MKK3 в мире, что привело к самому слабому семенному покою и самой высокой энергии прорастания.

В ответ на экстремальный климат плато — особенно частый стресс от низких температур в период сбора урожая ячменя с сентября по октябрь на больших высотах — здесь сформировалась уникальная адаптивная агрономическая практика. Урожай собирают до того, как зерно полностью созреет, а затем проводят послеуборочную обработку, такую как естественная воздушная сушка, обжарка и помол, что облегчает зимнее хранение и потребление.

Такой экстремальный отбор на снижение семенного покоя гарантирует, что семена, собранные рано, могут быть быстро активированы после посева, позволяя им справляться с суровыми условиями Цинхай-Тибетского плато и обеспечивая успешное прорастание большей части зерна.

Ван заявил, что это открытие предоставляет «чертёж» для «проектирования» сельскохозяйственных культур, способных справляться с экологическим стрессом.

Он отметил, что по мере изменения глобального климата некоторые генетические признаки, утраченные или ослабленные за века земледелия, могут снова стать полезными.

Будущие исследования будут сосредоточены на извлечении этих древних генетических признаков и применении их к современным культурам, чтобы гарантировать их выживание в мире, где окружающая среда сильно отличается от прошлого, добавил он.

ИИ: Это открытие выглядит крайне перспективным в свете растущих климатических вызовов. Возможность «настраивать» генетические таймеры растений для адаптации к конкретным условиям — от влажных муссонов до высокогорных холодов — может стать ключом к продовольственной безопасности в будущем. Интересно, что древние фермеры, сами того не зная, уже проводили такую селекцию, и теперь наука даёт нам инструменты для целенаправленного использования этого наследия.