Прорыв в использовании диких родственников бобовых культур
Одомашнивание растений для выращивания в качестве сельскохозяйственных культур имеет обратную сторону.
С одной стороны, отбор по определённым желательным признакам, таким как высокая урожайность, повышает продуктивность. Но другие важные признаки, например устойчивость к вредителям, могут быть утрачены. Это делает культуры уязвимыми к различным стрессам: болезням, вредителям или последствиям изменения климата.
Чтобы снизить эту уязвимость, исследователи часто обращаются к диким родственникам культурных растений. Эти дикие виды продолжают эволюционировать в природе, часто в неблагоприятных условиях, и обладают полезными генами для ценных признаков, включая высокую устойчивость к болезням и толерантность к стрессам окружающей среды.
В новом исследовании учёные сообщают о значительных успехах в переносе признаков устойчивости к болезням и стрессам от диких родственников нескольких бобовых культур к их одомашненным сортам. Работа проводилась в Международном институте исследований сельскохозяйственных культур для полузасушливых тропиков (ICRISAT) в Патанчеру, Индия.
Бобовые культуры, такие как нут, голубиный горох и арахис, — одни из немногих, которые хорошо растут в условиях скудных осадков и маргинальных почв полузасушливых тропиков. Но они сталкиваются с серьёзными проблемами, говорит ведущий автор Шивали Шарма.
«Бобовые культуры сильно страдают от болезней, насекомых-вредителей, засухи, теплового стресса и засоления», — отмечает Шарма. Кроме того, полузасушливые регионы крайне уязвимы к изменению климата. Эти факторы ограничивают производство бобовых.
Существует несколько диких родственников этих культур, устойчивых к вредителям и болезням. «Существует острая необходимость в поиске и внедрении этих полезных генов из диких родственников в сорта сельскохозяйственных культур», — говорит Шарма. Это повысит устойчивость одомашненных сортов бобовых и поддержит сельское хозяйство в этих регионах.
Прямая гибридизация одомашненных культур с их дикими родственниками может быть крайне сложной, а часто и невозможной. Например, из восьми диких однолетних видов нута только один легко скрещивается с культурным нутом и даёт фертильное потомство.
Аналогично, дикие разновидности арахиса устойчивы к грибковым инфекциям. Но прямое скрещивание дикого и культурного арахиса затруднено из-за различий в упаковке ДНК в их клетках. Кроме того, эти виды плохо скрещиваются с культурными сортами.
Большинство диких разновидностей арахиса являются диплоидными: их ДНК организована в два набора хромосом на клетку, как у человека. При размножении один набор наследуется от отца, другой — от матери.
Одомашненные растения арахиса, напротив, тетраплоидны. Их клетки содержат четыре набора хромосом. Разное число наборов хромосом (плоидность) делает прямую гибридизацию диких и культурных разновидностей арахиса сложной.
«Преодоление подобных проблем требует много времени и ресурсов, — говорит Шарма. — Это часто заставляет селекционеров неохотно использовать дикие виды напрямую в программах разведения».
Программы предварительной селекции, такие как в ICRISAT, вкладывают время и опыт в работу с дикими родственниками культур. Шарма и её коллеги вывели дикие разновидности арахиса с четырьмя наборами хромосом в клетках (тетраплоидные). Затем они идентифицировали среди этих тетраплоидных диких линий те, что также были устойчивы к грибковым инфекциям. Их скрестили с культурными сортами арахиса для создания новых селекционных линий с хорошей устойчивостью и урожайностью. Теперь селекционеры могут напрямую скрещивать эти устойчивые к грибкам линии с культурным арахисом для создания новых сортов.
«Дикие родственники культур — это резервуар многих полезных генов и признаков, — говорит Шарма. — Наша ответственность — использовать это скрытое сокровище для будущих поколений».
Это особенно важно в контексте бобовых, поскольку они приносят множество преимуществ. Например, бактерии в их корневых клубеньках фиксируют ценный атмосферный азот. Это повышает плодородие почвы и снижает потребность в удобрениях.
Бобовые также жизненно важны для продовольственной безопасности в полузасушливых тропиках и других частях мира. Они являются важным источником белка и микроэлементов. В сочетании со злаками они составляют основу рациона питания людей по всему миру.
«Программы предварительной селекции — это первый шаг к улучшению питательности и устойчивости современных сортов бобовых», — заключает Шарма.
Исследование опубликовано в журнале Crop Science.