Ученые из Китайской академии наук совершили прорыв, который может кардинально изменить подходы к устойчивому сельскому хозяйству. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Genetics, раскрывается новый генетический механизм у риса, позволяющий одновременно повысить урожайность зерна и эффективность использования азота.
Долгое время агрономы сталкивались с компромиссом: для получения высокого урожая требовалось вносить большое количество удобрений, что наносит вред окружающей среде. Новое открытие предлагает элегантное решение этой проблемы, закладывая основу для технологий следующей «зеленой революции».
В центре исследования находится особая трехмерная структура в ДНК риса — своего рода «петля», которая точно настраивает работу гена RCN2. Этот ген играет ключевую роль в развитии соцветий, от которых напрямую зависит количество зерен. Данная структура позволяет растению находить оптимальный баланс между энергией, получаемой от солнца, и питательными веществами из почвы.
Команда ученых под руководством профессора Фу Сяндуна подошла к вопросу урожайности комплексно. Они рассматривали растение как систему, состоящую из листьев-«фабрик», производящих питание, и зерен-«потребителей». Ключ к успеху заключается в максимально эффективном распределении ресурсов между этими частями, и открытый механизм как раз способствует этому.
Генетики выявили, что небольшое естественное изменение в коде ДНК рядом с геном RCN2 действует как молекулярный переключатель. Он активирует ген, что, в свою очередь, позволяет растению формировать более разветвленные и богатые зерном метелки, не требуя дополнительного азота.
Удивительным открытием стало обнаружение в растениях белка OsYY1, который выполняет функции, ранее считавшиеся присущими только животным. Именно этот белок «скручивает» ДНК в пространственные петли, позволяя удаленным участкам генома взаимодействовать и управлять активностью ключевых генов, отвечающих за рост.
Используя современные методы генного редактирования, исследователи смогли целенаправленно активировать этот механизм. В результате им удалось добиться заметного роста урожайности и эффективности использования азота, особенно в условиях его дефицита в почве.
Это открытие знаменует собой смену парадигмы в селекции сельскохозяйственных культур. Возможность управлять пространственной организацией генома для повышения урожайности и экологичности решает одну из главных задач современности — как прокормить растущее население планеты, не усугубляя экологические проблемы.
Более того, результаты исследования применимы не только к рису. Обнаруженный механизм открывает новые горизонты для улучшения и других ключевых культур, таких как пшеница и кукуруза. Сочетание генетики, молекулярной биологии и агрономии обещает создание сортов нового поколения, способных расти продуктивно и устойчиво в условиях меняющегося климата.