Ученые нашли генетические механизмы снижения содержания белка в кукурузе
Теосинте, дикий предок кукурузы, содержит в три раза больше белка в семенах, чем большинство современных сортов кукурузы. Ученые из штаб-квартиры Китайской академии наук отследили механизмы, ответственные за снижение содержания белка в семенах гибридов и инбредных линий кукурузы. Их результаты открывают новые возможности для максимального увеличения содержания и качества белка в семенах для будущей селекции кукурузы с последствиями для эффективности использования азота и продовольственной безопасности.
Выводы исследователя были опубликованы в журнале Nature.
«Существует экономическое и экологическое давление для поддержания высокоурожайной кукурузы при одновременном снижении уровня азота , вносимого в почву», — сказал автор исследования Ву Юнжуй из Центра передового опыта CAS в области молекулярных наук о растениях Китайской академии наук. «Поэтому крайне важно определить генетические факторы , повышающие эффективность использования азота».
На протяжении тысячелетий селекционеры генетически изменяли виды растений, чтобы создать семена с большей долей метаболитов для повышения питательной ценности и полезности. Поскольку кукуруза стала основным источником корма для скота, селекционеры отдали предпочтение содержанию крахмала и урожайности, а содержание белка и вкус отошли на второй план. Использование азотных удобрений еще больше снизило важность содержания азота в семенах. Следовательно, современные гибриды кукурузы содержат всего 5–10% белка; напротив, согласно исследованию, в теосинте содержится 20–30% белка.
Ученые могут проследить снижение содержания белка в семенах кукурузы, но генетические механизмы остаются неясными. Ву и команда из штаб-квартиры Китайской академии наук решили определить гены, ответственные за несоответствие содержания белка между теосинте и кукурузой, создав полную последовательность генома теосинте. Скрестив теосинте с кукурузой и проанализировав потомство, исследователи смогли идентифицировать локус количественных признаков (QTL) или конкретные хромосомные области, которые связаны с рассматриваемыми признаками.
«Поскольку современная кукуруза была одомашнена из теосинте, мы пришли к выводу, что характеристика генов, ответственных за признак высокого содержания белка в теосинте, может выявить более разнообразный набор QTL, чем те, которые обнаружены в недавних инбредных популяциях кукурузы», — сказал Ву. «Результаты могут также помочь нам понять причины снижения содержания белка в семенах во время одомашнивания кукурузы».
Исследователи сосредоточились на значительном высокобелковом QTL на хромосоме 9. QTL теосинта с высоким содержанием белка 9 (THP9) не только продемонстрировал самый сильный эффект во время картирования QTL, но также кодировал фермент, называемый аспарагинсинтетазой 4 (ASN4), который играет важную роль. важную роль в обмене азота. Предыдущие исследования риса, пшеницы и ячменя показали, что изменения в экспрессии этих генов изменяют рост растений и содержание азота.
По словам Ву, в то время как вариант (аллель) гена THP9-теосинте (THP9-T) сильно экспрессируется в корнях и листьях теосинте , это не относится к соответствующей инбредной кукурузе из-за неправильного сплайсинга транскриптов генов.
«Это может быть одним из факторов, который приводит к различиям в усвоении азота», — сказал Ву. «Аминокислоты являются важными субстратами для синтеза белка, и их уровень в растении зависит от наличия азота в почве и эффективности использования азота растением».
В ходе полевых испытаний команда подтвердила, что аллель THP9-T может повысить эффективность использования азота как в нормальных условиях, так и в условиях с низким содержанием азота. Дальнейший анализ показал, что THP9-T может улучшать содержание белка в семенах и растениях кукурузы посредством селекции растений.
«Наше исследование показывает возможную ценность гибридов, содержащих аллель THP9-T, хотя потребуются более масштабные полевые испытания в нескольких географических точках, чтобы полностью установить его потенциал для улучшения содержания белка в семенах и эффективности использования азота при селекции кукурузы», — сказал Ву.
Источник: Китайская академия наук
