Учёные нашли структурную вариацию, увеличивающую число зёрен у сорго

Китайские учёные обнаружили два основных гена, ответственных за формирование двойного колоска у сорго, что значительно увеличивает число зёрен и урожайность. Крупная внутрихромосомная инверсия размером 35,7 килобазы в промоторе гена DG1 (Double-Grain 1) усиливает его экспрессию. Это приводит к развитию двойных колосков, которые заметно увеличивают число зёрен у сорго, и иллюстрирует критическую роль геномной структурной вариации в эволюции растений.

Исследование, опубликованное в Nature Plants, провела группа профессора Се Ци из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук в сотрудничестве с пятью другими институтами.

Сорго, основная зерновая культура, обычно производит одно семя на колосок, при этом нижний цветок в каждом колоске отмирает в процессе развития. Однако некоторые сорта сорго демонстрируют признак двойного колоска, при котором оба цветка развиваются в семена, что значительно повышает урожайность зерна.

Феномен многосемянных колосков распространён у злаковых культур, таких как травы и бамбук, и давно интересует исследователей. Ещё в 1936 году Карпер и Стивенс сообщили, что признак двойного колоска у сорго может увеличить число зёрен более чем на 50%, хотя его генетическая основа оставалась неизвестной почти столетие.

Построив три генетически сегрегирующие популяции, исследователи картировали доминантный локус для двойных колосков в интервал размером 49,5 килобаз. В этом регионе они идентифицировали хромосомную инверсию размером 35,7 килобазы, которая усилила экспрессию ORF1, одновременно снизив экспрессию ORF5.

Функциональный анализ подтвердил, что повышенная экспрессия ORF1 запускает фенотип двойного колоска, тогда как «нокаут» ORF5 не оказывает эффекта. Следовательно, ORF1 был обозначен как DG1. Этот ген кодирует гомеодомен-содержащий белок, гомологичный белкам WUSCHEL (WUS), обнаруженным у Arabidopsis thaliana, кукурузы и риса.

Дальнейший анализ показал, что инверсия в промоторе DG1 значительно снижает репрессивные гистоновые метильные метки H3K27me3 и H3K9me2, ослабляя транскрипционную репрессию и усиливая экспрессию DG1.

На стадии молодой метёлки, по сравнению с одинарными колосками, у которых нижний цветок дегенерирует, двойные колоски сохраняют видимые меристемы нижнего цветка. Во время цветения одинарные колоски производят только один фертильный верхний цветок, в то время как двойные колоски развивают два полноценных пестика и от четырёх до шести тычинок. Это говорит о том, что DG1 регулирует формирование и дифференцировку меристем цветка, восстанавливая фертильность нижнего цветка и приводя к признаку двойного зерна.

Полевые испытания, проведённые в Пекине и Шэньчжэне в течение нескольких лет, показали, что DG1 не оказывает негативного влияния на ключевые агрономические признаки, такие как высота растения, кущение или время цветения. Хотя растения, несущие аллель DG1, показали небольшое снижение массы тысячи зёрен, у них наблюдалось увеличение числа зёрен на метёлку на 40,7–46,1%, увеличение массы зерна с метёлки на 8,6–12,4% и повышение общего урожая с делянки на 10,1–14,3%. Эти результаты позволяют предположить, что DG1 является ценным генетическим ресурсом для селекции высокоурожайного сорго с помощью молекулярного дизайна.

Таким образом, это исследование клонировало ген DG1, контролирующий признак двойного колоска у сорго, раскрыло ключевой механизм, с помощью которого геномная структурная вариация DG1 контролирует фертильность нижних цветков колосков сорго, и обнаружило новый путь увеличения числа зёрен на метёлку и урожайности культур.

Стоит отметить, что крупные пивоваренные предприятия Китая, такие как Kweichow Moutai и Wuliangye, расположенные в бассейне реки Чишуй, используют в качестве сырья сорта сорго с мелкими зёрнами, а также устойчивые к кипячению и клейстеризации. Зёрна, связанные с DG1, мельче, с увеличенной удельной поверхностью, а их устойчивость к кипячению значительно улучшена. Более того, число зёрен на метёлку и урожайность выше.

Следовательно, это отличный генный ресурс для молекулярного дизайна сортов сорго, используемых в пивоварении. Ожидается, что это достижение внесёт вклад в производство сырого зерна для пивоваренной промышленности Китая.