Многообещающие исследования канадских ученых открывают путь к резкому увеличению урожайности популярной культуры, трансгенные лабораторные растения, основанные на экспериментах с родственником рапса, запатентованы и переходят в стадию полевых испытаний.

Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей Кристи Кокс, опубликованной на портале SeedWorld о том отредактированные и генномодифицированные растения рапса, имеющие важные характеристики, отправляются в поле: «Поскольку во всем мире под рапсом засевают свыше 40 миллионов гектаров, инновационной работе исследователей из Университета Гвельфа посвящена этой культуре.

Первоначально Майкл Эмес и Ян Тетлоу, биохимики и профессора кафедры молекулярной и клеточной биологии Университета Джорджии, перенесли фермент кукурузы, разветвляющий крахмал, в модельное растение Arabidopsis, чтобы посмотреть, может ли растение образовывать крахмал в своих листьях.

«Мы сделали это в первую очередь для того, чтобы проверить некоторые имеющиеся у нас гипотезы о способе производства крахмала. Крахмал сам по себе является важным продуктом», - говорит Эмес.

Исследователи заменили генные коды ферментов, определяющих степень разветвления и длину цепи крахмалов. Когда эти растения выросли, ученые увидели удивительные результаты по сравнению с неизмененными родителями. Эмес объясняет, что растения были в два раза больше, производили в четыре раза больше стручков (семенных коробочек), а общий прирост урожайности составил примерно 250%. Модифицированные растения показали значительное увеличение как цветков, так и количества семян. В то время как стандартное растение арабидопсиса обычно дает около 11 000 семян, те растения, которые были генетически модифицированы и содержали фермент кукурузы, значительно превзошли этот показатель, дав более 50 000 семян.

Важно отметить, что в результате этого процесса профиль масла не изменился.

Арабидопсис – это не сельскохозяйственная культура, а модельное растение, генетически очень похожее на рапс. Хотя гены практически идентичны, рапс или канола — более сложное растение, чем арабидопсис. 

Исследователи решили, что повторение результатов на рапсе может принести большую пользу сельскому хозяйству. При финансовой поддержке Genome Canada и Совета Канады по каноле они начали этот процесс. 

(Слева направо) Майкл Эмес, Липинг Ван и Ян Тетлоу вместе работают в Университете Гвельфа, создавая трансгенную канолу с использованием генетики кукурузы. Полученные линии отличаются повышенной урожайностью и засухоустойчивостью. Фото: University of Guelph.

Эмес и Тетлоу попросили Липин Ван, научного сотрудника из Университета Гвельфа, использовать в проекте свои глубокие знания в области молекулярной генетики. 

Сначала ученые определили два гена у Arabidopsis, которые нужно выбить, но затем поняли, что в их конкретном сорте канолы им нужно выбить шесть генов. Ван использовал комбинацию кластеризованных коротких палиндромных повторов с регулярными промежутками (CRISPR), чтобы выбить эти гены, и традиционные ГМ-методы для вставки генов кукурузы. 

В итоге произошли значительные улучшения в трансгенной линии по сравнению с контролем при выращивании канолы. Число кремнезема увеличилось с 200 до 300, количество стеблей увеличилось с 5 до 10, а средний вес семян увеличился на 50%. С учетом всех факторов общий прирост урожайности составил до 50%.

Еще одно интересное наблюдение как у арабидопсиса, так и у рапса заключалось в том, что стебли экспериментальных растений были примерно на 50% толще, чем у родительских растений. Бонусом помимо прироста урожайности стала улучшенная устойчивость полученных растений к засухе.

«Я был рад увидеть подтверждение как урожайности, так и потенциала устойчивости к засухе, — говорит Ван. - На данный момент изменение климата является очень актуальной проблемой. Я помню, как много лет назад в Саскачеване летом было 33-34°C, а канола не любит такую ​​жару. Урожайность существенно упала».

Ван объясняет, что цель состоит в том, чтобы обеспечить устойчивость рапса к засухе и повысить урожайность. Он провел несколько экспериментов, имитируя засуху, повышая температуру до 29°C с контрольной 22°C, а также удерживая подачу воды. Новые линии рапса пострадали не так сильно, как стандартные. 

Сорт, который взяли исследователи для изменения, уже устойчив к черной ножке, но не толерантен к гербицидам.

«Этот сорт не устойчив к гербицидам. Так что нужно внедрить кое-что еще», - добавил Эмес. Он отметил, что команде нужно более подробно проанализировать профиль масла канолы, но, поскольку профиль масла у Arabidopsis не изменился при редактировании генов, они не ожидают никаких изменений и в рапсе.

Хотя команда воодушевлена ​​полученными результатами и получила патент США на этот процесс, исследователи уже рассматривают другие варианты применения этого открытия. Ключевое значение имеет понимание причин полученных результатов.

«Если мы сможем понять механизм, который происходит в рапсе и арабидопсисе, мы сможем перенести это и на другие системы сельскохозяйственных культур. Вероятно, существуют сходства в механизмах, с помощью которых растения ощущают сахар, и в том, как они реагируют на это на физиологическом уровне. У нас есть очень упрощенная гипотеза. Мы полагаем, что отчасти это связано с тем, что растение чувствует, что у него больше углерода, чем обычно в данный момент цикла роста. Поэтому я думаю, что понимание накопления запасов углерода и выделения сахара является ключом», - объясняет Тетлоу. 

На данный момент эксперименты были ограничены контролируемой средой выращивания, где все параметры - температура, влажность и свет - регулируются. Чтобы урожай был полезен в сельском хозяйстве, он должен хорошо себя чувствовать в реальных условиях, поэтому следующим шагом будут полевые испытания. Команда планирует провести их в Саскачеване, Манитобе и Онтарио, Канада, и, возможно, в Монтане.

Это исследование является частью Кластера сельскохозяйственных исследований канолы, финансируемого правительством Канады.

«Полевые испытания пройдут в течение следующих трех сезонов, и мы посмотрим, как растения поведут себя в условиях, когда мы не можем все контролировать», — сказал Эмес, добавив, что пройдет около десяти лет, прежде чем эта линия станет коммерчески доступной».