Переработанный биотехнологический рис дает на 40% больше зерна

Генетическая модификация риса

Дав китайскому сорту риса вторую копию одного из его собственных генов, исследователи увеличили его урожайность на 40%. Это изменение помогает растению поглощать больше удобрений, повышает фотосинтез и ускоряет цветение, что способствует увеличению урожайности [1].

Увеличение урожая от одного гена, координирующего эти множественные эффекты, «действительно впечатляет», — говорит Мэтью Пол, генетик растений из Rothamsted Research, который не участвовал в работе. «Я не думаю, что когда-либо видел что-то подобное раньше». Этот подход можно было бы опробовать и на других культурах, добавляет он; в новом исследовании сообщается о предварительных результатах по пшенице.

Урожайность культуры чертовски сложна, потому что многие гены взаимодействуют, влияя на продуктивность растений. В течение многих лет биотехнологи безуспешно искали отдельные гены, повышающие урожайность. В последние годы их интерес переключился на гены, контролирующие другие гены, и, следовательно, на многие аспекты физиологии, такие как получение питательных веществ из почвы, определение скорости фотосинтеза и направление ресурсов от листьев к семенам. Модификация одного такого регуляторного гена у кукурузы дает увеличение урожая на 10 % — значительный выигрыш по сравнению с увеличением на 1 % в год, достигаемым при традиционной селекции растений.

Чтобы найти другие кандидаты на повышение урожайности, команда под руководством биолога Вэньбиня Чжоу из Китайской академии сельскохозяйственных наук (CAAS) проанализировала 118 регуляторных генов риса и кукурузы, кодирующие белки, называемые транскрипционными факторами, которые другие исследователи ранее определили как, вероятно, важные для фотосинтеза. Команда Чжоу попыталась выяснить, активировался ли какой-либо из генов у риса, выращенного в почве с низким содержанием азота, поскольку такие гены могут способствовать усвоению питательных веществ. Повышение их активности в рисе, выращенном в обычной почве, может подтолкнуть растение к потреблению еще большего количества азота и следовательно увеличению урожайности.

Исследователи обнаружили 13 генов, которые включались, когда растения риса выращивались в бедной азотом почве; пять привели к четырехкратному или большему увеличению поглощения азота. Они вставили дополнительную копию одного из генов, известного как OsDREB1C, в сорт риса под названием Nipponbare, который используется для исследований. Они также отключили этот ген у других отдельных растений риса. Эксперименты в теплице, проведенные Шаобо Вей и Ся Ли из CAAS, показали, что растения без гена росли хуже, чем контрольные растения, тогда как растения с дополнительными копиями OsDREB1C [2] прорастали быстрее и имели более длинные корни.

Одной из причин было хорошее питание: изотопные индикаторы показали, что растения с дополнительными копиями OsDREB1C поглощают дополнительный азот через свои корни и переносят большее его количество к побегам. Модифицированные растения также были лучше приспособлены для фотосинтеза, у них было примерно на треть больше хлоропластов, фотосинтетических органелл внутри растительных клеток в их листьях и примерно на 38% больше RuBisCO, ключевого фермента фотосинтеза. Посаженный в поле в течение 2-3 лет улучшенный рис дал более высокие урожаи на трех участках в Китае с климатом от умеренного до тропического.

Важно отметить, что исследователи также преобразовали высокоурожайный сорт риса, часто выращиваемый фермерами, добавив дополнительную копию гена. В результате эти модифицированные рисовые растения давали на 40% больше зерна с участка, чем те, которые не подвергались изменениям. «Удивительно. Это большое число», — говорит Пэм Рональд, генетик риса из Калифорнийского университета в Дэвисе.

Как и в экспериментах в лабораторной теплице, модифицированные растения в полевых условиях могли похвастаться как более крупными зернами, так и большим их количеством. ”Что они сделали, так это взяли очень хороший сорт риса и показали, что могут сделать его лучше“, — говорит Стив Лонг, физиолог растений из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, который добавляет, что результат намного убедительнее, чем улучшение исследовательского сорта.

Модифицированные растения также зацвели раньше, что дало им больше времени для формирования зерна. Более быстрое цветение может дать и другие преимущества, в зависимости от окружающей среды, например, позволяя фермерам выращивать больше культур за сезон или собирать урожай до наступления разрушительной летней жары. Однако, хотя модифицированный Nipponbare зацвел на 19 дней раньше, широко выращиваемый сорт риса зацвел всего на 2 дня раньше.

Чтобы продемонстрировать более широкий потенциал, команда добавила ген риса OsDREB1C к исследовательскому сорту пшеницы и обнаружила те же типы эффектов. OsDREB1C и подобные гены присутствуют не только у риса, пшеницы и других злаков, но и у широколиственных растений. Исследователи обнаружили сопоставимые результаты при добавлении дополнительной копии гена к хорошо изученному горчичному растению под названием Arabidopsis. Это согласуется с общей ролью в царстве растений, предполагая, что другие виды культур могут повысить урожайность от этой модификации.

Трансгенные культуры, такие как рис, использованный командой Чжоу, неприемлемы для некоторых потребителей. Но Чжоу и его коллеги говорят, что такого же повышения урожайности можно добиться, отредактировав собственные гены растения, что в некоторых странах сейчас регулируется мягче, чем трансгенная инженерия. По словам Рональда, еще одним преимуществом является то, что повышение эффективности использования азота сельскохозяйственными культурами может уменьшить загрязнение ручьев и озер излишками удобрений, которые стекают с полей. А улучшенный фотосинтез будет иметь жизненно важное значение для пополнения мировых запасов продовольствия , отмечает в комментарии Стивен Келли из Оксфордского университета. «Вы можете получить действительно хороший результат, если у вас есть правильный фактор транскрипции», — говорит Лонг. — Я уверен, что их будет больше.

Использованная литература

  1. Регулятор транскрипции, повышающий урожайность зерна и сокращающий продолжительность роста риса DOI: 10.1126/science.abi8455
  2. Гены OsDREB у посевного риса кодируют активаторы транскрипции, которые задействованы в экспрессии генов, чувствительных к засухе, высокому содержанию соли и холоду. DOI: 10.1046/j.1365-313x.2003.01661.x

Читайте также: