Найден генетический ключ к повышению эффективности многих культур

Источник: phys.org

Если, в соответствии с прогнозом ученых, к 2050 году население планеты вырастет до 9,5 миллиардов человек, может возникнуть нехватка пищи. Исследователи Корнельского Университета (США) сделала очередной шаг к решению этой проблемы. Команда под руководством профессора Роберта Тургеона и доктора Томаса Слевински открыла ген, который может привести к созданию новых, более эффективных сортов сельскохозяйственных культур. В среднем, урожайность растений при тех же условиях может вырасти на 50%. Ген, получивший название Scarecrow (Чучело), контролирует специальную структуру листьев, известную как анатомия Кранца. При такой структуре клетки сосудистого пучка окружены двумя концентрическими слоями клеток — крупными клетками обкладки и клетками мезофилла.

Анатомия Кранца характерна для растений с метаболизмом C4. Все растения используют один из двух типов фотосинтеза — C3 или C4. Метод C3 более древний, но менее эффективный, характерен для большинства растений, включая такие культуры, как пшеница и рис. Метод C4, используемый кукурузой, сорго, сахарным тростником и многими травами, обеспечивает лучшую адаптацию растения к засухе, интенсивному солнечному свету и низкому содержанию азота в почве. Исследования, направленные на передачу механизма C4 растениям C3 типа, ведутся уже не одно десятилетие. Такая модификация позволит фермерам выращивать пшеницу и рис в жарких и засушливых регионах, с меньшим количеством удобрений и высокой урожайностью.

Во всех растениях фермент под названием RuBisCo облегчает реакцию захвата углекислого газа из воздуха. Но в растениях C3 RuBisCo также способствует конкурирующей реакции с кислородом, приводящей к образованию побочного продукта и снижающей общую эффективность на 30 — 40%. В С4-растениях фиксация углекислого газа осуществляется в два этапа. Первый этап происходит в клетках мезофилла, и продукт этой реакции перемещается в клетки обкладки. Там начинается второй этап при участии фермента RuBisCo. Использование фермента в этом случае более эффективно, потому что в клетках обкладки концентрация кислорода низкая, а концентрация углекислого газа высокая. Это устраняет проблему конкурирующих реакций с кислородом.

Изучая анатомию Кранца, доктор Слевински обратил внимание, что слой клеток обкладки в листьях С4-растений похож на слой энтодермальных клеток, окружающий сосудистую ткань в корнях и стеблях. Ученый предположил, что оба типа клеток управляются общими генами. Он вывел экспериментальную линию кукурузы с мутантным геном Scarecrow, который регулирует энтодермальные клетки в корнях. Помимо проблем с корневой системой, у растений были обнаружены нарушения в структуре листьев — пролиферация клеток обкладки и нерегулярное расположение сосудов. Как отмечает профессор Тургеон, результаты исследования позволяют понять генетическую основу регулирования анатомии Кранца. Ученым еще многое предстоит узнать, но ключ к этой дверце — ген Scarecrow — уже найден.