Завдяки дослідникам із Флориди ми тепер маємо кукурудзу, не чутливу до теплового стресу

Чому це важливо

Зміна клімату торкнеться багатьох сільгоспкультур, і польова кукурудза не є винятком. За нинішнього рівня споживання близько 20 % землян 2050 р. потребуватимуть збільшення виробництва зернових культур уполовину. Кукурудза й нині забезпечує 42 % світового тоннажу та є найпопулярнішою зерновою культурою, тому її адаптивність і забезпечення здатності пристосовуватися до змін – це спецзавдання для науковців. Якщо не провадити генетичні вдосконалення, врожай зернових зменшуватиметься через підвищений абіотичний і біотичний стрес, що виникає внаслідок антропогенних змін клімату.

«Протягом наступного десятиліття фермери, які спеціалізуються на вирощуванні кукурудзи, можуть утратити фінансову доцільність опікуватися цією культурою. Ми вже нині бачимо, як формується економічна проблема й не можемо стояти осторонь», – зазначив у доповіді Марк Сеттлз, професор кафедри агрономії та садівництва Університету Флориди.

Ахіллесова п’ята кормової кукурудзи – теплі ночі. Підвищені температури впливають на кількість зерен і прискорюють розвиток ядер кукурудзи, що призводить до зменшення кількості й маси зрілих зерен. Відкриття біохімічних механізмів, що лежать в основі цих фізіологічних реакцій, дасть змогу змінити підходи до селекції та генної інженерії, підтримуючи врожайність зернових культур відповідно до темпів підвищення глобальних температур.

Високі температури впливають на фермент кукурудзи, відповідальний за зберігання крохмалю. За вищих нічних температур цей фермент (що називається PGD3) припиняє працювати, й зерна кукурудзи перестають виробляти належну кількість крохмалю та зупиняють розвиток. У дослідженні вчені довели, що новий сорт польової кукурудзи врожайний навіть за теплих ночей. Цей сорт було розроблено за допомогою нової техніки генної інженерії, суть якої полягає в тому, що фермент із жаданими характеристиками вставляють у нехарактерні для нього частини клітини. Далі про технологію детальніше.

Як це відбувається

Цей новий сорт кукурудзи є продуктивнішим, позаяк чутливий до тепла фермент PGD3, що дає рослині змогу зберігати крохмаль, дістає додаткову допомогу. PGD3 – не єдиний фермент у клітині, який каталізує його специфічну реакцію, що в практичному розрізі відповідає за нагромадження крохмалю. Є також ферменти PGD1 і PGD2, які щодо синтезу білків мають однакові функції, але різняться локалізацією. PGD3 міститься в амілопласті, а PGD1 і PGD2 – в пластидах. На відміну від PGD3, PGD1 і PGD2 не чутливі до нагрівання, але вони не діють у тій частині клітини, де діє PGD3, й не впливають на нарощення крохмалю.

Вченим потрібно було знайти спосіб, в який вони могли б перемістити PGD1 і PGD2 до амілопласту й зробити їх відповідальними за нарощення крохмалю, зберігши водночас важливу ознаку – нечутливість до високих температур.

Як же змінити «адресу» ферментів? Дослідники взяли фрагмент пептиду, який притаманний «мешканцям» амілопластів, і прикріпили його до PGD1 і PGD2, надавши ферментам нову «адресу». Проте всі троє не можуть безперешкодно діяти в одному середовищі. Варто було знайти спосіб деактивації PGD3, фермент потрібно було якось вилучити з амілопластів. Для цього вчені вивели окрему мутантну лінію, де фермент PGD3 був відімкненим, і при схрещуванні ферменти з новою «адресою» безперешкодно зайняли своє місце в амілопластах, зберігши цінну властивість термостійкості.

Яка ж результативність

Щоб перевірити, наскільки вдало відбувся експеримент, та щоб ускладнити завдання, вчені висаджували новий сорт кукурудзи місяцем пізніше, ніж звичайну – дослідники висівали його впродовж квітня на дослідних ділянках Університету Флориди. Порівняно з березневими посадками, кукурудза, висаджена в квітні, потрапила в період куди тепліших ночей і посушливості. Результати вражали: новий сорт дав на 40 % більше врожаю за таких несприятливих умов!

«Ми й не сподівалися на такий результат! Працювали над цією лінією понад п’ять років, й успіх однозначно перевершив наші сподівання! Коли ми збирали врожай, качани навіть візуально різнилися, а коли аналіз показав 40 %, успіх став однозначним. Це була захоплива пригода, що посприяє продуктовій безпеці», – сказала Каміла Рібейро, яка описувала це дослідження в рамках докторантури з молекулярної і клітинної біології рослин в Університеті Флориди.

Відредаговані гени відкривають можливість виготовлення нових термостійких сортів із використанням традиційних методів селекції, стверджують дослідники. Селекціонери можуть перевірити рослини кукурудзи на наявність спекостійких форм PGD3, щоб спробувати дістати той самий ефект без генного втручання, але це може бути довгим шляхом.

«Наше дослідження є прикладом того, як методи генної інженерії можуть пришвидшити традиційні процеси розведення рослин, даючи селекціонерам уявлення про те, як швидше дістати жадані ознаки. Зміна клімату відбувається швидко, й нам конче потрібно розробити рослини, котрі якнайхутчіш пристосуються до цього нового середовища», – сказав Сеттлз.

Хоча такий сорт кукурудзи може бути недоступний у продажу впродовж кількох років, Рібейро та Сеттлз сподіваються, що колись їх рослини допоможуть годувати мінливий світ. 

Лада Антомонова