Генні загадки предка кукурудзи

Багато хто досі думає, що ГМО – це коли ген з крокодила пере­несли в помідор і він став стійким проти заводнень, а людина чи тварина, з’ївши помідор, позеленіла чи щось подібне, але ні! Генетичні модифікації проходять щогодинно в людському організмі, як наприклад – під дією сонячних променів, то що ми також ГМ-люди?!

Генетичною модифікацією так само вважається припинення роботи гена, що є природним в організмі, заміна одного чи кількох нуклеотидів у генетичній послідовності також вважається модифікацією. Проте не завжди такі зміни впливають на зовнішній прояв у будь-якому організмі. Тож завдання сучасних генетиків та селекціонерів: виявити генетичні зміни в фенотипових ознаках, визначити їхні механізми дії і зробити так, щоб навіть незначна природна модифікація могла бути використана на користь людству.

Оскільки ми говоримо про сільське господарство, то доречним буде знати про основні наукові тенденції в світі, що допомагають забезпечити високі врожаї для задоволення людства в потребах харчування.

Для створення нових сортів сільськогосподарських культур та інтродукції в них корисних генів / алелей традиційна селекція рослин покладається на природні механізми рекомбінації. Створення нового сорту з набором необхідних ознак – це трудомісткий та економічно затратний процес через залежність рослин від рекомбінації генів із дальшим проведенням схрещувань навіть за використання найсучасніших технологій, таких як редагування геному.

Тому сучасна біологія, маючи у своєму арсеналі велику кількість молекулярно-біологічних методів і технологій редагування геномів, створила альтернативні підходи для покращення важливих сільськогосподарських ознак.

Сучасний підхід у селекції рослин допомагає поліпшити поглинання азоту та підвищує вміст білка в насінні кукурудзи. Сьогодні селекціонер при створенні гібридів не обмежується лише традиційними методами схрещувань. У руках сучасних науковців безліч методів генетичної інженерії, що дають змогу покращити майбутні гібриди за короткий період.

Насіння рослин містить різні метаболіти, наприклад, вуглеводи, білки, ліпіди та нуклеїнові кислоти, які мають вирішальне значення для швидкого поділу і росту клітин під час переходу від стану спокою до фотосинтетичної фази.

Ці метаболіти роблять насіння цінним джерелом їжі для різноманітних тварин, а також людини. Протягом тисячоліть селекціонери змінювали види рослин для створення насіння з більшою кількістю метаболітів, для покращення поживності, цінності та користі їжі. Мабуть, одним із найвідоміших прикладів цього процесу було перетворення дикого предка кукурудзи – теосинте – до сучасного виду кукурудзи.

Так корінні американці, вирощуючи теосинте, відбирали рослини з різними мутаціями, що впливали на смакові й технічні ознаки, зокрема розмір і структуру суцвіть, насіння й урожайність рослин. Через важливість в їхньому раціоні кукурудза була одомашнена корінними американцями і мала високий уміст білка, що було добрим для приготування їжі. Втім,

коли кукурудза стала товаром і почала використовуватися як корм для худоби, вміст крохмалю та врожайність вийшли на перше місце, а білку – як бажаній ознаці в кукурудзі – перестали приділяти увагу.

Крім того, нині зменшується використання азотних добрив і, як наслідок, сучасні гібриди кукурудзи містять лише 5 – 10 % білка, а от теосинте має 20 – 30 %.

Хоча азотні добрива помітно покращують урожайність кукурудзи, їх надмірне використання часто призводить до забруднення річок і водойм. Отже, майбутня селекція кукурудзи має створювати рослини з вищою ефективністю використання азоту.

Крім того, вміст білка в насінні та його якість будуть важливішими в майбутньому, оскільки рослинний білок, імовірно, займатиме більшу частину в раціоні людини.

Генетична мінливість у кукурудзі щодо вмісту білка в насінні добре відома, тому понад 100 років тому Іллінойський університет розпочав програму селекції на відбір ліній кукурудзи з високим та низьким умістом білка. Результатом такої програми стало виокремлення чотирьох різних генетичних плазм із відсотковим умістом білка 4, 7, 15 і 30 %, що дало можливість припустити існування як позитивних, так і негативних чинників, що впливають на його вміст у насінні кукурудзи.

Так, нашими американськими колегами в листопаді 2022 року було опубліковано результати наукової роботи. Проведено генетичний аналіз та дослідження на кукурудзі, що допомог­ло виявити ген, який впливає на високий уміст білка, – THP9. У процесі вивчення дії цього гена також було визначено його вплив на поглинання кукурудзою азоту, так звана азотфіксація в кукурудзи.

Такий ефект гена THP9 сприяє високим урожаям в умовах низького вмісту азоту. Як би це не було дивно, але ген THP9 було виявлено в дикого предка кукурудзи – теосинте. Вчені дослідили, що робота цього гена в теосинте приводить до високого вмісту білка, а от в інбредних лініях кукурудзи чомусь цього не спостерігається. Виявили, що THP9 у кукурудзі вирізається і відбувається неправильний сплайсинг транскриптів. THP9 кодує аспарагінсинтетазу 4 (ASN4).

Інтактний алель THP9-T сильно експресується в коренях теосинте та листі, але алель THP9-B не функціонує в цих тканинах у сучасних лініях кукурудзи, внаслідок неправильного сплайсингу його транскриптів – це, ймовірно, призводить до відмінності в засвоєнні азоту.

Під час синтезу амінокислот аспарагін відіграє основну роль в рециркуляції азоту й діє як донор азоту для багатьох амінотрансфераз. Завдяки високому відношенню азоту до вуглецю та інертності вільний аспарагін є основним носієм для зберігання азоту. ASN, який відповідає за перенесення аміду групи від глутаміну до аспартату та утворення аспарагіну, визначає асиміляцію, ремобілізацію та виділення азоту в рослині.

Поглядаючи в майбутнє, зауважимо, що існує економічна й екологічна проблема, яка потребує високоврожайної кукурудзи, котра зможе рости при зниженому рівні азоту в ґрунті.

Крім цього ще 2020 року ще однією групою іноземних учених було виявлено механізм дії певного гена, що дасть змогу підвищити врожаї кукурудзи на 10 %. Досліджували гени, котрі функціонують як головні перемикачі, що впливають на ріст і врожайність. Для досліджень було обрано гени групи MADS-боксів, поширену в багатьох рослинах. Увагу спрямували на вивчення гена zmm28. У цьому дослідженні було протестовано сотні факторів транскрипції кукурудзи. Результатом стало створення генетичної конструкції з фактором транскрипції MADS-боксу геном zmm28 із кукурудзяним промотором gos2 (ZmGos2).

Було отримано два трансгени (ГМ-події) – DP202 216 і DP382 118. Нативний транскрипт zmm28 ідентифікується в рослинах кукурудзи в листках, корені, стеблі, апікальних меристемах пагона, волоті та у приймочках маточки, не ідентифікується до стадії V6 і досягає максимальної кількості на стадії V11. Отримані трансформанти було проаналізовано та інтрогресовано в комерційні лінії.

Проведені польові дослідження показали, що збільшення врожаю відбувається у 76 – 78 % дослідах на 10 – 13 % прибавки врожаю БТ-гібридів порівняно з контролем.

У трансгена zmm28 завдяки оверекспресії білка Zmm28 зросла біомаса рослин, покращився фотосинтез, збільшилися поглинання та асиміляція азоту, підвищилася швидкість фіксації CO2.

Як ми бачимо, багато груп учених займаються вивченням механізмів, що можуть підвищити врожайність кукурудзи, й у цьому значно допомагає використання молекулярно-генетичних інструментів.

Отже, якщо дивитися об’єктивно, умови сьогодення, особливо в Україні, складаються так, що ВП, енергетична криза не дають змоги аграріям бездумно використовувати природні ресурси нашої країни. Кожен крок має бути обміркованим і максимально зваженим, використання біотехнологічних культур є одним з основних інструментів, що може задовольнити потреби сільського господарства в Україні. 

Валерія Галкіна, ВНІС, аспірант ІКБГІ НАН України