Исследователи из группы профессора Грэма Мура из Центра Джона Иннеса сделали это открытие во время экспериментов по изучению плодородия пшеницы у растений, подвергающихся воздействию высоких или низких температур . Статья «DMC1 стабилизирует кроссинговеры при высоких и низких температурах во время мейоза пшеницы» опубликована в журнале Frontiers in Plant Science .
Плодородность пшеницы и, следовательно, урожайность сильно зависят от температуры , особенно на начальных стадиях мейоза, когда хромосомы из родительских клеток пересекаются и спариваются, образуя семена для следующего поколения .
Мейоз пшеницы наиболее эффективно функционирует при температуре 17–23°С. Известно, что развивающаяся пшеница плохо переносит жаркие температуры, а также может погибнуть при низких летних температурах.
Выявление генетических факторов , которые помогают стабилизировать плодородие пшеницы за пределами оптимальных температур, имеет решающее значение, если мы хотим вывести климатически устойчивые культуры будущего.
Предыдущие исследования показали, что основной мейотический ген DMC1 является вероятным кандидатом на сохранение мейоза пшеницы при низких и высоких температурах.
Исследователи из Центра Джона Иннеса использовали методы редактирования генов, чтобы удалить DMC1 из разновидностей китайской яровой пшеницы, а затем провели серию контролируемых экспериментов, чтобы наблюдать влияние различных температур на мейоз у мутировавших растений.
Эксперименты показали, что примерно через неделю мутантные растения с отредактированными генами значительно пострадали при выращивании при температуре 13°C, при этом у 95% растений наблюдалось снижение числа кроссинговеров.
На другом конце температурной шкалы растения пшеницы, выращенные при 30°, также показали меньшее количество кроссинговеров по сравнению с контрольными растениями.
Результаты подтверждают гипотезу о том, что DMC1 отвечает за сохранение мейотических кроссинговеров при низких и, в меньшей степени, высоких температурах.
Учитывая, что сокращение количества кроссоверов оказывает существенное влияние на урожайность зерна, эти результаты имеют важные последствия для селекционеров пшеницы в условиях изменения климата.
Профессор Мур сказал: «Благодаря редактированию генов мы смогли выделить у пшеницы ключевой ген устойчивости к температуре. Это дает повод для оптимизма в поиске новых ценных качеств в то время, когда изменение климата затрудняет выращивание наших основных сельскохозяйственных культур».
Следующим этапом этого исследования является поиск вариантов DMC1, которые обеспечивают большую защиту пшеницы, а также изучение того, как дозировка и уровни экспрессии этого гена в пшенице могут влиять на защиту от более широких колебаний температуры.
Испытания по температурной устойчивости проходят в Кордове, Испания, где регулярно держится температура 30–40°C, что представляет угрозу для плодородия и урожайности пшеницы.
Исследование также подчеркивает, что DMC1 является глубоко консервативным геном, контролирующим температурную устойчивость пшеницы и всего растительного мира, в том числе и других основных сельскохозяйственных культур.
Предыдущие исследования японского тритона, упомянутые в этом исследовании, также показали, что фертильность снижается при температуре ниже 13°С и что температурный эффект связан с активностью DMC1.
Это исследование следует за более ранним прорывом группы Мура в Центре Джона Иннеса в идентификации гена пшеницы (ZIP4), ответственного за правильное спаривание хромосом и сохранение урожая пшеницы, но который также предотвращает внедрение новых полезных признаков от диких родственников пшеницы путем подавления обмен хромосом.
Используя технологию редактирования генов, исследователи разделили двойную функцию ZIP4 так, чтобы он сохранял урожайность, но позволял легче скрещивать пшеницу с дикими родственниками. Это может способствовать генетическому разнообразию элитных сортов, включая такие характеристики, как жароустойчивость и устойчивость к болезням.
Профессор Мур добавил: «Изменение климата, вероятно, окажет негативное влияние на мейоз и, следовательно, на плодородие пшеницы и, в конечном итоге, на урожайность сельскохозяйственных культур, поэтому скрининг коллекций зародышевой плазмы для выявления генотипов, устойчивых к жаре, является высоким приоритетом для будущего улучшения сельскохозяйственных культур».
