Ученые из США определили гены, которые позволяют уникальному сорту кукурузы из Мексики самостоятельно обеспечивать себя азотом. Это открытие позволит вывести новые сорта зерновых, менее зависимые от синтетических удобрений.
В горном регионе Оахака в Мексике веками выращивают кукурузу, которая отличается от мировых промышленных сортов. Она формирует на стебле, выше уровня почвы, толстые воздушные корни. Эти корни выделяют гелеобразное вещество, богатое сахарами, в котором живут азотфиксирующие бактерии. В 2018 году ученые установили, что эти микроорганизмы могут удовлетворять от 30% до 80% потребности растения в азоте.
Новое исследование, опубликованное в журнале Theoretical and Applied Genetics, объясняет, какие гены отвечают за это явление. Группа специалистов из Университета Джорджии и Висконсинского университета в Мадисоне выявила 37 участков генома, от которых зависит рост воздушных корней, а именно – количество узлов на стебле с такими корнями, их диаметр и число корней на каждом узле. От этих характеристик напрямую зависит, насколько эффективно растение фиксирует азот.
Чтобы найти гены, исследователи скрестили два элитных американских сорта кукурузы с четырьмя традиционными мексиканскими. В результате они получили 563 генетически различные линии, которые в 2023 и 2024 годах выращивали на опытных полях в Джорджии и Висконсине. Анализ показал, что признаки, связанные с воздушными корнями, хорошо наследуются, что делает их перспективными для селекции. От выявленных участков генома на 23–51% зависит, насколько сильно у разных растений будут выражены эти признаки. Три локуса на хромосомах 1, 5 и 7 оказались наиболее значимыми.
Ученые также обнаружили, что шесть из этих генетических регионов содержат гены, которые, как уже было известно, влияют на формирование корневой системы и гормональные реакции растений. Более того, похожие участки генома есть у сорго и проса – других злаков, также способных формировать воздушные корни для фиксации азота. Это говорит о том, что механизм не уникален для кукурузы из Оахаки, а может быть более распространенным биологическим явлением.
Результаты исследования позволят внедрить эти гены в промышленные сорта кукурузы. Это поможет снизить зависимость сельского хозяйства от синтетических азотных удобрений, производство которых энергозатратно и вредит окружающей среде, загрязняя водоемы и приводя к выбросам парниковых газов. Однако авторы работы отмечают, что предстоит решить ряд проблем. Чтобы сформировать воздушные корни и гель, растению нужна дополнительная энергия, что может снизить урожайность на 2–11%. Кроме того, эффективность системы зависит от того, есть ли в почве нужные микроорганизмы и достаточно ли влаги.