Учёные нашли генетический ключ к созданию высокоурожайных культур

К 2050 году население Земли достигнет 9,5 миллиардов человек, что потребует увеличения производства пищи без роста затрат воды, удобрений и пахотных земель.

Исследователи из Корнеллского университета сделали шаг к решению этой проблемы, обнаружив ген, который может привести к созданию новых сортов основных сельхозкультур с урожайностью на 50% выше.

Этот ген, названный Scarecrow, — первый известный ген, контролирующий особую структуру листа, известную как анатомия Кранца. Она лежит в основе более эффективного С4-фотосинтеза. Растения используют один из двух методов фотосинтеза:

  • С3 — менее эффективный, древний метод, характерный для большинства растений, включая пшеницу и рис.
  • С4 — более эффективная адаптация, свойственная травам, кукурузе, сорго и сахарному тростнику. Она лучше подходит для засухи, интенсивного света, жары и почв с низким содержанием азота.

«Исследователи пытались найти генетическую основу анатомии Кранца, чтобы внедрить её в С3-растения», — говорит Томас Слевински, ведущий автор статьи в журнале Plant and Cell Physiology.

По словам старшего автора работы Роберта Тёрджона, открытие «даёт ключ к пониманию того, как регулируется вся эта анатомическая структура». Глобальные попытки переноса С4-механизмов в С3-растения активно ведутся и финансируются десятилетиями.

Перспективы: Успешный перенос С4-фотосинтеза в С3-растения с помощью генной инженерии позволит выращивать пшеницу и рис в более жарких и засушливых условиях с меньшим количеством удобрений, потенциально увеличивая урожайность наполовину.

Как работает С4-фотосинтез

С4-растения независимо эволюционировали из С3-растений около 60 раз. Их адаптация включает анатомию Кранца в листьях: слой специальных клеток обкладки, окружающих жилки, и внешний слой мезофильных клеток. Эти типы клеток cooperate в двухэтапном фотосинтезе, используя разные типы хлоропластов.

Ключевое отличие — в работе фермента RuBisCo, который запускает фиксацию CO2:

  • В С3-растениях RuBisCo также катализирует конкурирующую реакцию с кислородом, создавая побочный продукт. На его утилизацию тратится 30–40% общей эффективности фотосинтеза.
  • В С4-растениях фиксация CO2 происходит в два этапа. Первый — в мезофиле, а продукт этой реакции переносится в клетки обкладки для этапа с RuBisCo. Там концентрация CO2 высока, а кислорода — низка, что исключает конкурирующую реакцию и резко повышает эффективность.

Роль гена Scarecrow

Слевински заметил, что клетки обкладки в листьях С4-растений похожи на эндодермальные клетки, окружающие проводящие ткани в корнях и стеблях. Он предположил, что генетический контроль этих типов клеток может быть общим.

Исследователи использовали линии экспериментальной кукурузы с мутантным геном Scarecrow, который, как известно, регулирует эндодермальные клетки в корнях. У мутантных растений были обнаружены аномалии и избыточное деление клеток обкладки, а также нерегулярное жилкование в листьях.

Это подтвердило, что ген Scarecrow играет ключевую роль в формировании правильной анатомии Кранца, открывая путь для целенаправленной генной инженерии.