Обнаружены гены, не дающие рису утонуть

Рис, семена злакового растения Orysa sativa, кормит миллиарды людей на нашей планете. Хотя благодаря селекционерам и генным инженерам урожайность риса с 1960-х годов выросла вдвое, специалисты считают, что этого недостаточно. По их оценкам, к 2050 году необходимо повторить это достижение, чтобы удовлетворить потребности постоянно растущего населения Земли и справиться с проблемой голода.

Не каждому известно, что около 30% рисовых полей в Азии и 40% в Африке приходятся на низинные территории, подверженные длительному затоплению с постоянно растущим уровнем воды в сезон дождей или внезапными масштабными наводнениями при ливневых паводках. Невозможность контролировать уровень воды на этих территориях – серьезная проблема: высокоурожайные сорта риса не могут выживать в подобных условиях. Поэтому население продолжает выращивать здесь традиционные местные сорта риса, которые обладают удивительной способностью удлиняться при затоплении со скоростью до 25 см в день или выдерживать мощные и глубокие затопления в течение 15 дней. Однако их урожайность обычно в пять раз ниже, чем у повсеместно распространенных коммерческих сортов.

Скрещивание для сравнения

Ученые из четырех японских биологических и сельскохозяйственных научных центов объединились под руководством Йоко Хаттори (Yoko Hattori) из Университета Нагойи, чтобы выяснить, какие факторы помогают «глубоководному» рису переживать затопления и можно ли привить эту способность высокоурожайным сортам. Биологи сосредоточились на генетической природе риса.

Для исследований биотехнологи выбрали два сорта риса -- высокоурожайный Taichung 65, тайскую вариацию известного сорта «японика», и устойчивый к затоплению С9285, который демонстрирует быстрый рост при повышении уровня воды. Они скрестили эти сорта и сопоставили способность к ускоренному росту в воде и генетические «портреты» их потомков. В результате выяснилось, что в хромосомах 1, 3 и 12 есть участки, от генетического состава которых напрямую зависит искомое умение риса расти и выживать в глубокой воде. Причем участок в хромосоме 12 действовал наиболее эффективно. Выведенная линия, хромосомный состав которой был идентичен сорту Taichung 65, за исключением выделенного участка хромосомы 12, который был взят от С9285, демонстрировала удлинение междоузлий при затоплении, составляющее половину такового у «глубоководного» С9285.

Подводное плавание

Ученые решили сосредоточиться на изучении именно этого значимого участка хромосомы 12 и выделить конкретные гены, которые отвечают за интенсивный рост в условиях затопления. Тщательный и высокоточный анализ позволил выделить два гена, которые ученые назвали SNORKEL1 и SNORKEL2, от английского «snorkel» -- трубка для подводного плавания. Именно эти гены присутствовали у С9285 и отсутствовали у Taichung 65.

Относятся эти гены к подсемейству факторов, экспрессию которых вызывает фитогормон этилен. Причем они начинают работать именно при повышенном содержании этилена в клетках растения, в отличие от других генов того же подсемейства, ранее найденных в клетках риса и резуховидки Таля. Надо сказать, что фитогормон этилен вырабатывается в тканях растения всегда, однако когда все зеленые части организма оказываются под водой, то затрудняется его выведение: скорость диффузии этилена в воде в десять тысяч раз ниже, чем в воздухе. Исследователи риса и раньше отмечали, что количество этого фитогормона в листьях и стеблях, оказавшихся под водой, значительно возрастает. И именно увеличение концентрации этилена активирует гены SNORKEL, которые вызывают бурный рост «глубоководного» риса, заключили ученые.

Чтобы узнать, как же именно гены SNORKEL удлиняют растения, биологи исследовали гормональный состав побегов, подвергнутых водному стрессу. Выяснилось, что в исследованных листьях и стеблях значительно выросло содержание гиббереллиновой кислоты, которую часто называют растительным гормоном роста. Гиббереллиновая кислота вызывает деградацию фактора транскрипции DELLA, который обычно сдерживает рост клеток. Благодаря этому ничто не мешает клеткам удлиняться, увеличивая при этом рост всего злакового организма. Ученые уверены в том, что именно гиббереллиновая кислота – ключевой персонаж развивающегося за подтоплением сценария, ведь содержание остальных гормонов остается в норме. Как именно гены SNORKEL вызывают рост концентрации гиббереллиновой кислоты, напрямую или через посредников, ученые планируют выяснить в своих следующих исследованиях.

Кстати, это не единственный вариант развития событий. Другой ген из упомянутой группы этилен-ответных факторов, найденный в других сортах риса и также дарящий своим носителям устойчивость к наводнениям, действует не просто по-другому, а совершенно противоположным образом. Он подавляет выделение гиббереллиновой кислоты, рост клеток прекращается и растение переходит фактически в «законсервированную стадию». Это состояние может сохраняться в течение нескольких недель – обычно столько и длятся наводнения – а после спада уровня воды действие гена постепенно ослабевает и растение снова начинает расти.

Глубоководному рису – высокий урожай

Однако работа ученых призвана не только удовлетворить их собственное любопытство. У этих изысканий есть и важная практическая значимость. Ученые создали четыре линии риса, генетически идентичные любителю сухих полей Taichung 65 практически полностью, за исключением участков хромосом, ответственных за «водяной рост». Эти подсорта тайского риса содержали ответственные за выживание под водой участки хромосом от C9285 в разных комбинациях -- участки 1 и 3, 1 и 12, 3 и 12, а также фрагменты всех трех (1, 3 и 12) хромосом. Как и ожидалось, наибольшую скорость и общую величину удлинения продемонстрировал последний гибрид – в росте он практически не отставал от С9285, «подарившего» ему «глубоководные» гены.

Стоит отметить, что урожайность выведенных гибридов ученые не проверяли. Впрочем, это и не входило в их задачи – они доказали принципиальную возможность перенесения генов «потопоустойчивости» в высокоурожайные сорта. Возможно, уже в ближайшем будущем семена таких растений будут доступны фермерам, ведущим свое хозяйство в дождливых территориях.

Рисовые умели плавать

Кстати, любопытству ученых все-таки стоит отдать должное. Они решили выяснить происхождение найденных генов SNORKEL1 и SNORKEL2, для чего проверили, есть ли эти гены у диких видов риса Oryza rufipogon и Oryza nivara и амазонского вида Oryza glumaepatula. Оказалось, что оба гена SNORKEL у них есть. Правда, у Oryza nivara SNORKEL2 блокирован и не транскрибируется, а вот амазонская Oryza glumaepatula содержит SNORKEL2, а на месте SNORKEL1 у нее ген, больше сходный со SNORKEL2. Кстати именно O. rufipogon и O. glumaepatula демонстрируют интенсивный рост во время затопления, тогда как nivara если и растет, то очень медленно. Так что сразу стало ясно, который из генов SNORKEL выполняет основную работу – тот, что идет под вторым номером.

Ученые также выяснили, что SNORKEL2, вероятно, появился у более раннего предка риса, еще до того, как существующие сегодня виды разделились. А отсутствие этого гена у наиболее распространенных сегодня сельскохозяйственных сортов говорит о том, что утрачен он был уже в процессе одомашнивания и селекции этого важнейшего растения. Теперь у биологов появилась возможность его вернуть.

Подробнее с результатами работы японских ученых можно ознакомиться в их статье в журнале Nature.