Рис имеет долгую историю в качестве основного продукта питания в Японии и других частях Азии. Результаты нового исследования, проведенного международным научным сообществом, показывают, что появление культивируемого риса из растений дикого риса является результатом трех генных мутаций, из-за которых семена (то есть зерна риса) с трудом опадают с растения.
В своих исследованиях исследователи обнаружили, что каждая из трех мутаций по отдельности малоэффективна, но когда присутствуют все три мутации, метелки рисового растения сохраняют больше своих семян, что приводит к большей урожайности.
Считается, что одомашнивание дикого риса началось, когда наши предки обнаружили и начали выращивать растения риса , которые не осыпаются семенами, что проложило путь к стабильному производству риса. Есть надежда, что результаты этих исследований могут способствовать будущему улучшению легкости падения семян риса (т. е. облегчению обмолота урожая) и разработке высокоурожайных сортов риса, где можно собирать каждое зерно, сокращая количество отходов.
Это открытие было сделано в результате международного сотрудничества , в которое вошли исследователи из Высшей школы сельского хозяйства Университета Кобе (Япония), Национального института генетики (Япония), Университетского колледжа Лондона (Великобритания), Уорикского университета (Великобритания), Сельскохозяйственного университета Езина ( Мьянма) и Камбоджийского института сельскохозяйственных исследований и разработок.
Oryza sativa (часто называемый азиатским рисом на английском языке) широко выращивается и потребляется во всем мире. Известно, что он произошел от дикого рисового сорняка Oryza rufipogon. Считается, что возделывание риса началось, когда охотники-собиратели в древности отбирали отдельные дикорастущие растения риса, имевшие подходящие для этой цели характеристики. Растения дикого риса выполняют процесс разрушения семян, который рассеивает их семена, что позволяет им эффективно размножаться.
Однако при возделывании риса это осыпание семян необходимо подавлять, чтобы получить стабильный урожай. В 2006 году был открыт ген sh4: этот ген необходим для начала осыпания семян у растений, включая рис, и было высказано предположение, что мутация в этом гене позволяет выращивать рис.
Однако текущая исследовательская группа показала, что одной этой мутации sh4 недостаточно для предотвращения потери семян, предполагая, что также задействованы мутации других генов. Сосредоточившись на ранней истории выращивания риса, это исследование объединило специалистов в области генетики растений, археоботаники и структурной механики, чтобы выяснить, как стало выращиваться повышение урожайности риса.
Осыпание семян вызвано структурой, называемой слоем опадения, который образуется у основания каждого зерна риса. Исследователи обнаружили, что замена одного нуклеотида (с цитозина на тимин) в ДНК гена qSH3 необходима для ингибирования слоя отщепления в дополнение к вышеупомянутой мутации гена sh4. Эта мутация гена qSH3 обнаружена в основных сортах риса, выращиваемых во всем мире (индика и японика).
Отдельные мутации, связанные с осыпанием семян, например, в генах sh4 и qSH3, сами по себе не могут предотвратить осыпание растений дикого риса. Однако исследователи обнаружили, что сочетание мутаций sh4 и qSH3 частично ингибирует образование слоя отщепления, необходимого для разрушения семян. Несмотря на это, они пришли к выводу, что такого небольшого ингибирования недостаточно для получения стабильного урожая, поскольку семена легко осыпаются в естественной среде. Таким образом, они решили сосредоточиться на форме метелки. Метелкой называются скопления тонких ветвей на верхушке рисового растения, которые несут семена.
Дикий рис имеет открытую структуру метелки, которая позволяет семенам легко падать. Путем гибридизации исследователи получили 8 растений дикого риса, каждое с различной комбинацией трех генных мутаций: мутация в SPR3, которая вызывает закрытие метелок, и вышеупомянутые мутации sh4 и qSH3. Затем они исследовали урожайность каждого растения. Они обнаружили, что отдельные мутации малоэффективны и что даже сочетание двух мутаций не приводит к значительному увеличению урожая. Однако при наличии всех трех генных мутаций урожайность увеличивалась экспоненциально.
Анализ структурной механики изменения закрытой метелки и ингибирования отпадающего слоя выявил взаимодополняющую связь между ними. Нагрузка на слой опадения основания семян меньше у растений с закрытой метелкой, чем у растений с открытой метелкой, что потенциально может привести к еще большему урожаю за счет дальнейшего уменьшения осыпания семян. «Поведение, не разрушающее семена», вызванное мутациями sh4 и qSH3, и «закрытые метелки», вызванные мутацией SPR3, являются совершенно не связанными характеристиками, однако считается, что случайное взаимодействие между этими характеристиками позволило рису стать культурой.
В притче о трех стрелах японский военачальник 16 века МОРИ Мотонари дал каждому из своих трех сыновей по стреле, и они смогли легко сломать отдельные стрелы. Однако связка из трех стрел сильнее, и, показав своим сыновьям, что три стрелы вместе не могут быть сломаны, он объяснил, что трое из них должны работать вместе, чтобы управлять землей. В сортах риса три мутации, которые мало влияют сами по себе, случайно работают вместе — важный шаг на пути к успеху риса как культуры.
Рис был источником ежедневной энергии для людей на протяжении тысячелетий, а некоторые сорта японского риса считаются культурными произведениями искусства. Эти результаты исследований не только раскрывают механизм разрушения семян, но и дают нам представление о долгой истории улучшения выращивания риса.
Несмотря на то, что рис является важной сельскохозяйственной культурой во всем мире, до сих пор не до конца понятно, как он был одомашнен. Достижения в области агротехники сопровождались развитием сортов риса, которые все менее и менее легко сбрасывали семена, что позволяет предположить, что приобретение поведения, не разрушающего семена, является результатом множественных генных мутаций.
Есть надежда, что дальнейшее изучение этих мутаций поможет выяснить процесс выращивания риса. Кроме того, количество осыпающихся семян можно контролировать, используя гены со многими из этих мутаций , что приведет к созданию новых сортов риса , из которых можно собрать все семена , произведенные растением.
Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
