При помощи
гибридизации кукурузы и гамаграсса новосибирские ученые произвели новый вид
растения, которое способно размножаться путем создания генетических копий
материнской формы. Полученные гибриды могут стать коммерческими сортами,
дающими высококачественные корма.
Кукуруза (Zea mays
L.) — одна из самых востребованных злаковых культур в мире. С 2010 года ее
мировое производство превышает миллиард тонн, и каждый год это число
увеличивается на 3—5 %. Такие высокие экономические показатели связаны в первую
очередь с ее генетическим потенциалом и возделыванием высокопродуктивных гибридов
первого поколения, или F1. Гибриды F1 — это потомство, полученное от скрещивания
двух генетически разнородных родительских форм. Как правило, они более
устойчивы к различным факторам внешней среды, заболеваниям и вредителям, а
также отличаются большой урожайностью. При всех достоинствах у такой технологии
есть серьезные недостатки, как, например, необходимость ежегодного получения
гибридного семенного материала.
Ученые Института
молекулярной и клеточной биологии СО РАН поставили перед собой цель закрепить
гетерозис, или, иными словами, увеличить жизнеспособность гибридов. Для этого
они объединили геномы кукурузы и гамаграсса восточного (T. dactyloides), ее
дикого сородича, и получили новый вид растения, продуцирующий пыльцу и
автономно размножающийся через семенную фазу апомиктическим (бесполосеменным)
путем. Исследователи отметили, что созданный ими межродовой апомиктичный гибрид
превосходит своих «родителей» по многим хозяйственным свойствам, включая
больший урожай зеленой массы — до 90 тонн с гектара, а также высокое содержание
незаменимых аминокислот (органических соединений, из которых состоят белки) и
важнейших микроэлементов.
Початки
исходных родителей (А) Zea mays, (В) Tripsacum dactyloides и (Б) колос
56-хромосомного гибрида с пыльцевыми зёрнами на рыльцах от самоопыления
Для
апомиктического размножения, или просто апомиксиса, характерно отсутствие
пересортировки и рекомбинации генов и оплодотворения. Семена таких растений
формируются из материнской яйцеклетки, не прошедшей стадии мейоза (деления ядра
клетки с уменьшением числа хромосом в два раза). «Апомиксис — это имманентное,
внутренне присущее свойство полиплоидов, то есть организмов, в клетках которых
содержится больше двух наборов хромосом. Не все полиплоиды размножаются при
помощи апомиксиса, но все апомикты являются полиплоидами. Апомиксис очень
распространен в растительном мире и практически не встречается в животном (лишь
у некоторых видов ящериц, рыб и насекомых, вроде тли)», — подчеркивает заведующий
лабораторией цитологии и апомиксиса растений ИМКБ СО РАН доктор биологических
наук Виктор Андреевич Соколов.
Среди культурных
растений апомиксис представлен только у цитрусовых, яблонь и некоторых кормовых
трав, а у таких основных культур, как кукуруза, рис и пшеница, вообще не
встречается. Для чего же некоторым сортам растений необходим апомиксис, несмотря
на все преимущества полового размножения? Дело в том, что если у диких растений
рекомбинация рассматривается как важнейшее звено их приспособляемости к
условиям внешней среды, то у культурных форм она разрушает ценные сочетания
генов, собираемые поколениями селекционеров. С этим связана необходимость
переключиться на другой, более устойчивый способ воспроизводства семян —
апомиксис, при котором происходит передача полного материнского генотипа
следующему поколению, то есть его клонирование. Благодаря апомиксису создаются
гибриды с одинаковой генетической конституцией, сохраняющие при этом полезные
характеристики своих «родителей».
Идея о возможном
закреплении гетерозиса в ряду поколений через апомиксис была высказана еще в
1930-х годах, однако ее успешная экспериментальная реализация произошла лишь
относительно недавно, в ИМКБ СО РАН. Для проведения исследования ученые
задействовали две линии кукурузы, используемые для получения гибридов F1: 573MB
и 611CB селекции Научно-производственного объединения «КОС-Маис», а также
гамаграсс восточный из коллекции, собранной советским генетиком и селекционером
академиком Николаем Ивановичем Вавиловым в Мексике. Выбор этой злаковой
культуры объясняется множеством причин. «Во-первых, у кукурузы высокая
ежегодная средняя урожайность по миру: если у пшеницы она составляет не более
50 центнеров с гектара, то у кукурузы этот показатель почти в два раза выше —
110 ц/га. Во-вторых, ее достаточно технологично выращивать, так как она не
полегает и не осыпается. А как генетический объект кукуруза совершенно
уникальна. На ней можно изучать абсолютно все генетические феномены, кроме полиплоидии
(увеличения полного набора хромосом), так как у нее очень сложный геном и
полиплоиды в основном высокостерильны. Что касается гамаграсса восточного, он
является многолетним неприхотливым растением, которое способно произрастать на
солоноватых или частично обводненных почвах. В США к настоящему моменту
возделывается десять сортов этого пастбищного и фуражного (пригодного для
вскармливания скота) растения», — комментирует Виктор Соколов.
Сначала ученые
вручную опыляли две родительские линии кукурузы пыльцой гамаграсса для
получения 46-хромосомной гибридной формы. Далее выявленные среди них
апомиктичные растения вновь опыляли пыльцой этих линий кукурузы и получали уже
56-хросомную форму с объединенными геномами культурного родителя (20 хромосом)
и гамаграсса восточного (36 хромосом). При этом на развивающиеся початки
кукурузы надевали специальные бумажные пакеты, препятствующие случайному
опылению. Гибриды размножались в Краснодарском крае на полях Кубанской опытной
станции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им.
Н. И. Вавилова, там же проводили оценку урожайности по зеленной массе.
Для изучения
фуражных показателей исследователи отбирали по десять растений каждого образца
в случайном порядке, в течение тридцати дней сушили их в тени на открытом
воздухе, после чего измельчали и формировали среднюю пробу массой в два
килограмма. Анализ содержания в образцах различных аминокислот и микроэлементов
проводился на спектрофотометре NIRSystems-4500 в лаборатории биохимии
Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологического института
животноводства Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН.
Исследователи
пришли к выводу, что признак бесполосеменного размножения у гибридов кукурузы и
гамаграсса восточного контролируется большим пулом генов и для его экспрессии
необходимо присутствие не менее девяти определенных хромосом гамаграсса
восточного (Td7, Td11—Td18). Созданный вид растения, помимо множества
положительных агрономических свойств, обладает жаростойкостью, устойчивостью к
засухе, толерантностью к засолению почвы и легкому затоплению. Специалисты ИМКБ
СО РАН предлагают сокращенно называть его «зетри», от его родительских форм Zea
mays L. и Tripsacum dactyloides. Научные публикации исследователей ИМКБ СО РАН
по данному направлению вышли в журналах «Труды по прикладной ботанике, генетике
и селекции», «Наука и жизнь» и других. Кроме того, результаты
исследований докладывались на трех международных конференциях по апомиксису в
США (Колледж-Стейшен, 1995), Италии (Комо, 2001) и Германии (Вернигероде,
2007).
Ученые ожидают,
что новое растение, несмотря на сложную геополитическую и эпидемиологическую
обстановку, произведет настоящую революцию на мировом агропромышленном рынке, и
в ближайшем будущем его можно будет использовать в качестве многолетнего
пастбищного и кормового растения.