Молекулярные основы высокой азотной эффективности пшеницы

Исследовательская группа под руководством профессора Лин Хунцина из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук (CAS) совместно с коллегами из Университета Лудонг и Центра компьютерных сетей и информации CAS создала высококачественный геном сорта пшеницы Кэнонг 9204 (KN9204), обладающего высокой эффективностью использования азота (NUE), и раскрыла возможные молекулярные механизмы, лежащие в основе этого свойства, с помощью сравнительного геномного анализа. Результаты опубликованы в журнале Molecular Plant 21 июля.

Дефицит азота (N) — один из главных факторов, ограничивающих урожайность сельскохозяйственных культур. При этом на азотные удобрения приходится около 60% всех удобрений, ежегодно используемых в сельском хозяйстве. Их растущее применение повышает урожайность, но также вызывает серьёзные экологические проблемы, такие как эвтрофикация водоёмов и закисление почв. Пшеница обыкновенная (Triticum aestivum L.) — одна из основных продовольственных культур в мире, занимающая наибольшие посевные площади. Поэтому повышение эффективности использования азота пшеницей критически важно для устойчивого сельского хозяйства и защиты окружающей среды.

В этом исследовании учёные секвенировали и собрали геном сорта KN9204 и сравнили его с другими известными геномами злаков. Они обнаружили, что семейство генов высокоаффинных нитратных транспортеров (NRT2) расширилось в ходе эволюции пшеницы. Дальнейший анализ подтвердил, что некоторые из новых членов семейства приобрели новые функции, например, реакцию на солевой стресс.

Кроме того, было обнаружено, что гены транспортеров оттока нитратов, которые участвуют в его выведении из перицикла корня и загрузке в ксилемный сок, также подверглись экспансии во время формирования дикой двузернянки. Эти находки могут объяснять генетическую основу широкой адаптивности пшеницы к дефициту азота в различных географических и почвенных условиях.

С помощью анализа транскриптома и сетей коэкспрессии генов исследователи также определили ключевые стадии развития и связанные с ними важные метаболические пути, задействованные в реакции пшеницы на дефицит азота. Они выяснили, что недостаток азота существенно подавлял экспрессию генов, связанных с делением клеток, в молодых колосьях сорта с низкой NUE Цзин 411, но оказывал очень слабое влияние на эти гены у сорта KN9204.

Сопоставив данные об экспрессии генов с данными о накоплении азота, учёные показали, что KN9204 обладает более высокой NUE, чем обычные сорта пшеницы, особенно на стадии репродуктивного развития. В итоге исследователи пришли к выводу, что высокая NUE сорта KN9204 — это комплексный эффект, контролируемый на разных уровнях: мощная и развитая корневая система, высокая экспрессия генов, связанных с развитием корней, поглощением и транспортом нитратов.

Это исследование даёт новое понимание молекулярных механизмов высокой NUE у пшеницы и предоставляет ценные геномные ресурсы для создания сортов с высокой эффективностью использования азота. Кроме того, короткое плечо хромосомы 1RS ржи, которое несёт сорт KN9204, является важным материалом для изучения устойчивости пшеницы к болезням и стрессам.