Команда, возглавляемая генетиком сои из Университета Пердью Цзяньсинем Ма, разработала новый биотехнологический инструмент для одомашнивания желаемых свойств дикой сои, таких как устойчивость к насекомым-вредителям-цикадкам. Использование таких инструментов, называемое одомашниванием de novo, облегчает ученым задачу улучшения посевов дикой сои.

«Раньше на одомашнивание специальной культуры от ее дикого прародителя у древних фермеров уходили тысячи лет. Теперь это может занять у нас всего несколько лет», — сказал Ма, профессор агрономии и председатель Индианского соевого альянса по улучшению соевых бобов. Используя родственников дикой сои , ученые могут использовать методы редактирования генов, чтобы модифицировать гены , создавая новые сорта, более подходящие для сельскохозяйственного производства.

Это стало возможным благодаря открытию двух длинных некодирующих РНК-генов (днРНК) с необычным свойством. Гены имеют один и тот же генетический локус — они расположены рядом на одной хромосоме. Но эти гены контролируют множество признаков. Обычно один ген контролирует один признак.

Ма и 12 соавторов из Purdue и других учреждений в США и Китае сообщили о своих результатах в журнале Nature Genetics . Исследование идентифицирует первые длинные некодирующие РНК-гены у любого одомашненного вида растений или животных, которые могут быть выбраны для селекции человеком.

Соавтор Блейк Мейерс из Калифорнийского университета в Дэвисе рассказал, как работа объединила различные подходы и открытия, связанные с днРНК.

«Использование более традиционного подхода к картированию агрономических признаков сои привело к открытию единой общей молекулярной основы. Признаки разнообразны и включают в себя размер листьев и стеблей, а также устойчивость к насекомым», — сказал Мейерс, заслуженный профессор наук о растениях в Университете. Калифорнийский университет в Дэвисе.

«Оказывается, эти черты регулируются необычным образом с помощью генов, которые, в отличие от большинства генов, похоже, не производят белок, а вместо этого производят длинные некодирующие РНК. Лаборатория Цзяньсиня проделала прекрасную работу по описанию механизма регуляции и шагов, которые привели к к эволюционному появлению этого уникального генетического локуса», — сказал Мейерс.

Соавтор Рэндалл Нельсон, почетный профессор селекции сои в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн, высоко оценил синергизм между исследовательскими программами, которые дали результаты, которые вряд ли были бы достигнуты по отдельности.

«Моя программа в основном основана на полевых условиях, и мы разработали уникальную популяцию линий от скрещивания сои и дикой сои для картирования генов, связанных с одомашниванием. Лаборатория Цзяньсиня смогла творчески использовать эти линии для выявления нового генетического контроля основных различий между соевыми бобами. и дикая соя», — сказал Нельсон.

«Эти результаты не только способствуют нашему пониманию альтернативных способов генетического контроля, но и дополняют наше понимание одомашнивания», — сказал он. «В будущем эти результаты помогут в процессе использования неиспользованного генетического разнообразия дикой сои».

Древние фермеры много веков назад одомашнили широко распространенный современный сорт сои, называемый Glycine max, от дикого вида Glycine soja. Недавно обнаруженные гены днРНК высоко экспрессируются в дикой сое.

«Высокая экспрессия означает, что они могут создавать больше копий информационной РНК со специфическими структурами для производства большего количества копий малых РНК, которые ингибируют экспрессию нескольких генов, кодирующих белок, лежащих в основе этих признаков, связанных с одомашниванием. Но эти два гена плохо выражены в культивируемых соевых бобах. «Сказала Ма. «Они функциональны в дикой сое, но сейчас их нет в культивируемых соевых бобах, потому что мутация произошла естественным путем».

Дикая соя имеет крошечные семена, цветы и листья. В культивируемой сое все растет больше. Опушенная форма культивируемой сои также имеет более длинные стебли и листья, что обеспечивает устойчивость к насекомым-вредителям, таким как цикадки.

При одомашнивании сельскохозяйственных культур фермеры отбирают растения так, чтобы повысить их пригодность для нужд человека. Они ищут такие характеристики, как вкус и растения с более крупными и большим количеством семян, которые приводят к более высокому урожаю. Однако процесс одомашнивания снижает генетическое разнообразие, являющееся основой современной селекции.

Современная одомашненная соя страдает от этого сокращения генетического разнообразия, что ставит новую задачу понимания более широкого генетического разнообразия диких видов. Зная гены, отвечающие за различные признаки, генетики сои могут использовать молекулярные методы для их интеграции в новые одомашненные сорта.

Технология редактирования генов расширяет их возможности использовать фундаментальные исследования для разработки новых сортов сои, например, с улучшенным составом семян, питательными характеристиками, содержанием масла, белка и незаменимых аминокислот.

«Мы рассматриваем нашу команду как искателей генов, которые должны найти генетические вариации для выведения более качественных соевых бобов для фермеров в Индиане и по всей стране», — сказал Ма. «Наша лаборатория и коллеги ранее идентифицировали несколько генов, лежащих в основе других признаков, связанных с одомашниванием. Эти собранные знания сделали возможным одомашнивание дикой сои и ее родственников de novo».