Гибрид свитчграсса проливает свет на эволюцию растений
Свитчграсс привлекателен как потенциальная биоэнергетическая культура благодаря многолетнему росту без пересадки. Требуя меньше удобрений, чем однолетние культуры вроде кукурузы, он удерживает больше азота, фосфора и углерода в почве, не допуская их попадания в воздух и водоемы. Однако селекция свитчграсса на оптимальные признаки все еще на ранней стадии.
Исследователи из Мичиганского государственного университета (в рамках Центра биоэнергетических исследований Великих озер) в сотрудничестве с Министерством энергетики США (DOE), Институтом совместного секвенирования генома (DOE Office of Science User Facility) и Техасским университетом в Остине идентифицировали конкретные участки генетического кода растения, которые могут способствовать увеличению урожая свитчграсса и снижению его уязвимостей.
Команда под руководством Дэвида Лоури (MSU) и Томаса Юнгера (UT Austin) выявила гены, стимулирующие рост свитчграсса в широком диапазоне климатических условий, и показала, что эти генетические маркеры можно внедрить путем селекции.
Кроме того, исследователи обнаружили, что некоторые адаптивные признаки свитчграсса часто можно улучшить, не нанося ущерба другим аспектам здоровья растения. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Северный и южный экотипы
Как и многие культурные растения, свитчграсс имеет сорта, адаптированные к разным регионам:
- Северный нагорный тип обитает на возвышенностях и в прериях (например, Южная Дакота, Мичиган, Висконсин). Он холодоустойчив и переносит суровые зимы, но растет медленнее и имеет меньшие размеры.
- Южный низменный тип процветает на влажных, болотистых территориях от Миссури и Канзаса до Техаса. Он более устойчив к вредителям, засухе и наводнениям, но плохо переносит холодные зимы.
Чтобы объединить лучшие черты, ученые создали гибрид двух сортов и высадили сотни идентичных гибридных растений в 10 локациях от Техаса до Южной Дакоты. Сравнивая рост гибридов с родительскими сортами на каждом участке, они с помощью картирования количественных признаковых локусов (QTL) изолировали генетические причины полезных исходов.
Ключевые открытия
- Вклад северного генома. Ожидалось, что за увеличение размера гибридов ответственны только гены крупного южного сорта. Однако эксперимент показал, что гены северного свитчграсса также играют роль в увеличении биомассы. «Это означает, что если мы объединим эти геномы путем гибридизации, мы сможем получить растение с гораздо более высокой урожайностью», — сказал Лоури.
- Выигрыш без потерь. Генетическая адаптация часто сопряжена с компромиссами (например, холодоустойчивость в ущерб росту). В этом исследовании полезные для роста признаки проявлялись в одном регионе без ухудшения других характеристик. «Это говорит нам о том, как работает адаптация и как она может принести пользу сельскому хозяйству. Если мы сможем вести отбор по этим локусам, мы получим выгоду без больших затрат», — отметил Лоури.
- Важность масштаба. Широкий географический охват (10 полевых участков вместо обычных двух) позволил изолировать эти «беспроигрышные» генетические сценарии с минимальными сопутствующими затратами.
Значение для науки и сельского хозяйства
«Мы получаем новое представление о том, как растения приспосабливаются к разным средам, — заключил Лоури. — Понимание того, как свитчграсс адаптируется на севере и юге США, позволит использовать эти знания для его улучшения как биоэнергетической культуры».