Нове дослідження визначає біотехнологічний підхід до покращення гібридної селекції сої

Соєві боби перехресного запилення – цікавий напрям для дослідників. Вони пропонують можливість запроваджувати нові покращення врожаю, збільшувати врожай фермерів і забезпечувати кормом тварин.

Сент Луїс, Міссурі, 23 серпня 2023 р. – Соя (Glycine max) є однією з найбільш економічно та соціально впливових культур у світі. Вона забезпечує значний відсоток усього білка для споживання тваринами в глобальному масштабі та відіграє ключову роль у виробництві олії, виробництві та використанні біопалива (Американська асоціація соєвих бобів, н.д.). За оцінками експертів, у 2022 році в Сполучених Штатах було вироблено 4,3 мільярда бушелів сої, що майже на 200 мільйонів бушелів менше, ніж у попередньому році. Щоб не відставати від зростаючого попиту на соєві корми для тварин, Міністерство сільського господарства США прогнозує збільшення площ посівів сої на 19,6% до 2032 року (Dohlman and Hansen 2022). Гібридна селекція сої має потенціал для підвищення продуктивності однієї з найбільш вирощуваних і споживаних культур в Америці. Позаяк залишається в основному недослідженою.

Нове дослідження вчених із Наукового центру рослинництва Дональда Данфорта та Корнельського університету надає ключову технологію, що дозволяє створити облігатний ауткросинг у сої. Нещодавно опубліковане дослідження щодо інтродукції барнази/барстару в соєвих бобах для гібридного розведення в Plant Biotechnology Journal показало, що облігатний ауткросинг із лініями Барназе/Барстар забезпечує новий ресурс. Його можна використовувати для посилення наборів гібридного насіння, уможливлюючи широкомасштабні випробування гетерозису цієї основної культури.

Наразі соя на 99% самозапилюється. Це запобігає будь-яким перевагам від гібридизації. Розведення гібридів для підвищення енергійності використовувалося більше століття для підвищення обсягів сільськогосподарської продукції, не вимагаючи більших витрат. Незважаючи на те, що цей підхід призвів до одних із найбільш суттєвих здобутків у продуктивності сільськогосподарських культур, селекційні бар’єри принципово обмежують можливість сої отримати переваги гібридної сили. Соя дає непомітні квіти, які самозапліднюються перед розпусканням, і тому не легко піддаються ауткросингу. Частково це пов’язано з обмеженнями сучасних підходів, які не спромоглися створити надійний облігатний ауткросинг у сої.

Дослідницька група продемонструвала, що систему чоловічої стерильності/порятунку чоловічої статі Barnase/Barstar можна використовувати на сої для отримання гібридного насіння. Експресуючи цитотоксичну рибонуклеазу Барназу під дією тапетум-специфічного промотора в пиляках сої вона змогла повністю блокувати дозрівання пилку, створюючи чоловічі стерильні рослини. Вчені показали, що фертильність може бути збережена в поколінні F1 цих ліній, що експресують Barnase, якщо їх схрещувати з пилком рослин, які експресують інгібітор Barnase, Barstar.

«Важливо те, що ми виявили, що успішне відновлення чоловічої фертильності залежить від відносної дози Barnase і Barstar. Коли Barnase і Barstar експресувалися під тим самим тапетум-специфічним промотором, потомство F1 залишалося чоловічим стерильним. Коли ми експресували Barstar під відносно сильнішим промотором, ніж Barnase, ми змогли досягти успішного порятунку чоловічої фертильності в поколінні F1», – сказала Патриція Болдріх, співавтор роботи та головний дослідник Danforth Center.

Ця робота демонструє успішне впровадження біотехнологічного підходу для отримання плідного гібридного потомства на сої. Враховуючи важливість сої для світового сільського господарства, прогрес у продуктивності вказаної культури може мати трансформаційний вплив і сприяти сталому сільському господарству, дозволяючи фермерам отримувати вищі врожаї на наявних площах.

«Покращення сої є довгостроковою метою фермерів, селекціонерів і вчених», — говорить Блейк Мейерс, головний дослідник Данфортського центру та професор рослинництва в Університеті Міссурі, – «Покращення можуть мати потенційно суттєвий ефект, а також запропонувати переваги обложеним запилювачам».

«Ця робота є першим кроком до розробки системи гібридної селекції сої. Спостерігаючи, як Ніколь Шелуга, аспірант Корнельського університету та провідний автор цієї статті, веде проект від розробки до реалізації, я справді пишався. Мені приємно бачити, як розвиватиметься проєкт команди в найближчі роки», — каже автор-кореспондент Маргарет Франк, доцент Школи інтегративних рослинницьких наук Корнельського університету.

Соєві боби перехресного запилення мають потенціал для підвищення врожайності завдяки так званій «гібридній силі», забезпечують корм для запилювачів і дозволяють фермерам вирощувати більше сої на меншій площі. Щоб досягти цієї мети, команда зараз працює над додатковими властивостями квітки сої, які, будучи складеними або поєднаними з чоловічими стерильними лініями, представлятимуть систематичний підхід для виробництва гібридного насіння сої.

«Як аспірант, я відчуваю величезне задоволення, спостерігаючи за безперервним розвитком цього проекту, від концептуалізації до експериментування, за яким слідує ретельний аналіз даних і публікація. Я радий бути частиною дослідження, яке має потенціал для вражаючих змін у світі», – додав Райан ДельПерсіо, докторант USDA-NIFA-AFRI в Університеті Міссурі та співробітник лабораторії Мейєрса.

Дослідницький проєкт було започатковано після програми Danforth Center «Conversations: Meeting Grand Challenges Big Ideas program», де три команди перспективних вчених змагаються, щоб виграти початкові гроші для своєї великої ідеї. Ідею Болдріч, ДельПерсіо та Френк представили як «Квітку в мільярд бушелів».

Після презентації д-р Філ Нідлмен, колишній головний науковий співробітник і керівник відділу досліджень і розробок Monsanto/Searle/Pharmacia, зателефонував і сказав, що ця ідея «збила його з ніг», і він хотів зробити подарунок на підтримку. Команда успішно отримала нагороду від United Soybean Board 1920-152-0131-D за надання відповідних коштів і розробку даних для підтвердження концепції. Після цієї першої нагороди робота була продовжена через премію Фонду харчових і сільськогосподарських досліджень «Новий інноватор у галузі харчових і сільськогосподарських досліджень» Маргарет Франк, FF-NIA21–0000000017.

Наступний захід Conversations Big Ideas відбудеться 31 серпня в Danforth Center. Реєстрація безкоштовна.

Довідка про Науковий центр рослинництва Дональда Данфорта:

Заснований у 1998 році Науковий центр рослинництва Дональда Денфорта є некомерційним дослідницьким інститутом, метою якого є покращення стану людини за допомогою науки про рослини. Дослідження, освіта та інформаційно-пропагандистська діяльність мають на меті вплинути на взаємозв’язок продовольчої безпеки та навколишнього середовища та позиціонувати регіон Сент-Луїс як світовий центр рослинництва. Робота Центру фінансується через конкурсні гранти з багатьох джерел, включаючи Національний науковий фонд, Національні інститути охорони здоров’я, Міністерство енергетики США, Агентство США з міжнародного розвитку та Фонд Білла та Мелінди Гейтс, а також завдяки щедрості окремих небайдужих, корпорацій та донорів фонду.