Азотные удобрения производятся из природного газа. Добыча и сжигание природного газа наносит вред жизни на нашей планете, поэтому нам, вероятно, следует прекратить это делать (или, по крайней мере, попытаться значительно сократить). Но продовольственным культурам, как и всем растениям, нужен этот азот. Это довольно загадка, тем более что человеческое население, зависящее от этих культур, должно расти в течение следующих нескольких десятилетий, в то время как площадь пахотных земель должна сократиться.
В ответ на это генные инженеры в Китае разработали культуры, способные расти при меньшем количестве азота, и создали сорт риса, урожайность которого на 40–70 % выше, чем у обычного риса. У него больше зерен на ветке, каждая частица зерна крупнее и плотнее, а растения зацветают раньше. Большинство методов селекции, используемых в настоящее время для выращивания зерновых культур, могут обеспечить повышение урожайности менее чем на 1 процент, так что это довольно большое дело.
Один ген изменяет многие
Ученые начали с изучения белков, называемых факторами транскрипции, которые часто контролируют экспрессию набора генов, часто участвующих в различных аспектах одной физиологической функции. В данном случае основное внимание уделялось факторам транскрипции, которые, как уже было известно, регулируют фотосинтез.
Чтобы найти идеальную цель, исследователи проверили набор из 118 транскрипционных факторов, ранее идентифицированных для регуляции фотосинтеза риса и кукурузы, чтобы найти те, которые также активировались в ответ на свет и низкие уровни азота. Когда они нашли один, они создали трансгенные линии риса, которые произвели его в большом количестве. Сверхэкспрессия фактора транскрипции, подобного этому, вместо отдельных генов, которые он контролирует, — это то же самое, что требовать разговора с менеджером вместо того, чтобы переключаться между различными представителями службы поддержки клиентов в разных отделах.
Полученные растения риса были высажены на поля с различными условиями окружающей среды: поля умеренного пояса недалеко от Пекина, тропические поля провинции Хайнань и субтропические поля провинции Чжэцзян.
В течение трех лет все растения риса продемонстрировали повышенную способность к фотосинтезу и повышенную эффективность использования азота. У них было больше хлорофилла и больше и больше хлоропластов, чем у риса дикого типа. У них также было более эффективное поглощение азота корнями, чем у риса дикого типа, и у них был более эффективный перенос этого азота от корней к побегам, чем у риса дикого типа. Это повысило их урожайность зерна, даже когда растения выращивались с меньшим количеством азотных удобрений.
Другие эксперименты были проведены с трансгенными растениями, выращенными на гидропонике и на рисовых полях, и они показали столь же хорошие результаты. Сверхэкспрессия одного и того же фактора транскрипции в более причудливом штамме риса (japonica, в отличие от плебейской Oryza sativa, которая использовалась в большинстве других экспериментов), а также в пшенице и арабидопсисе (наиболее часто используемом модельном организме в биологии растений). имели аналогичные эффекты на эти важные растения.
Последующие эффекты
Этот транскрипционный фактор активирует активность 345 генов, большинство из которых, как известно, реагируют на воздействие соли, засухи и холода. Когда ученые сверхэкспрессировали один из этих генов, отвечающий за раннее цветение, растения действительно зацвели раньше, но они были карликовыми и давали сниженную урожайность зерна. Вероятно, это связано с тем, что признак раннего цветения в отрыве от повышенного использования углерода и азота, обеспечиваемого фактором транскрипции, не позволял растениям накапливать достаточные ресурсы за укороченный период роста.
Авторы предполагают, что можно использовать редактирование генома, а не трансгенные методы, на которые они полагались, чтобы сверхэкспрессировать этот фактор транскрипции в других культурах, чтобы они тоже могли достичь более высокого урожая. Такие сорта могут пригодиться в тех случаях, когда вегетационный период и площадь поля могут стать ограниченными, а азотных удобрений может не хватать — из-за, как вы знаете, редких сценариев, таких как лесные пожары, наводнения и засухи. И война.
Наука, 2022. DOI: 10.1126/science.abi8455.
