Роль геномики и высокопроизводительной феномомики в селекции сахарного тростника
Сахарный тростник — ключевая продовольственная и биоэнергетическая культура, обеспечивающая около 80% мирового производства сахара. Его крупнейшие плантации находятся в Бразилии и Индии. Будучи пятой культурой по стоимости производства и посевным площадям, он представляет уникальные сложности для селекции из-за сложного полиплоидного генома, полученного в результате межвидовой гибридизации.
Традиционные методы селекции сахарного тростника включают длительный 10–12-летний многоэтапный процесс отбора, что привело к более медленному росту урожайности по сравнению с другими основными культурами. Главные препятствия — продолжительный цикл, сложности в фенотипировании из-за большой биомассы и низкая наследуемость ключевых признаков.
Эти проблемы, особенно логистические сложности точного фенотипирования, сдерживают генетический прогресс. Решение этих ограничений, в частности через разработку эффективных методов высокопроизводительного фенотипирования, — критическая возможность для ускорения селекции.
В июле 2023 года журнал Plant Phenomics опубликовал перспективную статью «Для ускорения селекции сахарного тростника необходим комбинированный подход геномики и феномомики».
В статье отмечается, что медленный рост урожайности при традиционной селекции за последние 30 лет стимулировал переход к селекции с помощью маркеров (MAS). Этот переход отмечен эволюцией систем ДНК-маркеров: от основанных на гибридизации к SNP-маркерам, полученным из последовательностей ДНК, благодаря развитию технологий секвенирования нового поколения.
Геномная селекция (GS) — метод, использующий большое количество связанных с признаками ДНК-маркеров для профилирования всего генома — оказался более эффективным для оценки генетической ценности клонов тростника.
Исследования показывают, что GS превосходит традиционные методы в улучшении урожайности тростника, содержания сахара и устойчивости к болезням. Однако внедрение GS зависит от регулярного и точного фенотипирования разнообразных генотипов. Это необходимо из-за сложности признаков (урожайность, содержание сахара), на которые влияют неаддитивные генетические эффекты.
Высокопроизводительная феномомика — масштабный сбор данных о росте и развитии растений — рассматривается как решение для повышения эффективности и снижения стоимости создания надёжных обучающих наборов данных для GS. Параллельный прогресс в сенсорном фенотипировании значителен, хотя его применение в коммерческой селекции ещё развивается.
В других культурах, например злаках, феномомика сыграла ключевую роль в понимании сложных физиологических аспектов и разработке моделей прогнозирования урожайности с использованием косвенных признаков. Аналогично, для сахарного тростника высокопроизводительное фенотипирование таких признаков, как развитие полога и содержание азота в листьях, оказывается ценным для прогнозирования урожайности и селекции.
Пригодность сахарного тростника для полевой феномомики из-за его большой биомассы и условий выращивания создаёт уникальные возможности. Исследования демонстрируют потенциал использования косвенных признаков урожайности, например температуры полога, для улучшения отбора клонов.
В целом, интеграция геномики, феномомики и моделирования урожая в селекции сахарного тростника развивается. GS и высокопроизводительная феномомика готовы стать основными компонентами селекционного процесса в ведущих отраслях.
Эта интеграция обещает трансформировать селекцию сахарного тростника, подобно прогрессу в таких культурах, как засухоустойчивая кукуруза, что повысит генетический прогресс и урожайность.