Учёные предложили концептуально новый подход к селекции пшеницы, который должен устранить главное препятствие в современной агронауке: разрыв между умением находить генетические вариации и пониманием того, как они влияют на урожайность и другие важные признаки. Концепция, получившая название «От пангенома к панфеному» (PG2P), описана в журнале Discover Plants. Она предлагает перейти от статистического поиска маркеров к точному прогнозированию свойств растения на основе его генома.
Основная проблема, которую решают авторы, – ограниченность существующих методов. Селекционеры годами опираются на анализ однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), то есть однобуквенных замен в ДНК. Этот подход помог выявить участки генома, связанные с агрономически ценными признаками, но не может полностью объяснить сложные свойства вроде урожайности, устойчивости к стрессам или качества зерна. В результате возникает «проблема утерянной наследуемости», когда известные генетические маркеры объясняют лишь малую часть наследуемых различий между растениями.
Новая концепция фокусируется на так называемой скрытой геномной изменчивости. К ней относят не только точечные мутации, но и более крупные изменения: наличие или отсутствие целых генов у разных сортов, структурные перестройки хромосом, изменение числа копий генов и активность мобильных генетических элементов. Все эти факторы влияют на работу генов, но стандартные методы анализа их зачастую упускают.
Ключевая идея PG2P в том, что генетические вариации редко влияют на признаки растения напрямую. Их эффект проявляется через целую цепь биологических процессов. Изменение в регуляторной области ДНК может перестроить работу целой сети генов. Это, в свою очередь, меняет белковый состав клетки, что приводит к перепрограммированию метаболизма – то есть того, как растение распределяет ресурсы. И только на конечном этапе эти метаболические сдвиги формируют наблюдаемые признаки: скорость роста, накопление биомассы, устойчивость к засухе или итоговый урожай.
Конечной точкой этой цепи является «панфеном» – комплексное описание всех возможных проявлений признаков у разных сортов пшеницы в различных условиях и на разных стадиях развития. Такой подход учитывает, что отдельные свойства растения взаимосвязаны и часто являются результатом компромиссов в его развитии. Практическое применение концепции позволит точнее определять гены-кандидаты для редактирования с помощью технологии CRISPR, а также повысить точность моделей геномной селекции. Для анализа всего массива данных – от структуры генома до метаболических путей – предлагается использовать искусственный интеллект.
Авторы признают, что для рутинного внедрения подхода предстоит решить ряд проблем. Существующие пангеномы пшеницы неполны и не охватывают всего разнообразия диких сородичей и старых сортов. Кроме того, проверка функций генов-кандидатов остаётся медленным процессом, а созданные в одних условиях прогностические модели могут оказаться неточными в других. Тем не менее предложенная концепция задаёт направление для развития селекции, конечной целью которой является возможность предсказывать свойства и урожайность растения ещё до посева семян.