Ученые нашли способ увеличить количество зерен в початках кукурузы

Команда генетиков из лаборатории Cold Spring Harbor (CSHL) озвучила "простую гипотезу", позволяющую существенно повысить урожайность кукурузы.
 
Кукуруза является бесценным источником пищи для миллиардов людей, а также кормом для животных. С учетом того, что в настоящее время количество жителей Земли составляет 6 млрд, а к середине текущего столетия оно достигнет 8--9 млрд, мир нуждается в существенном повышении урожайности основных сельскохозяйственных культур.
Открытие, сделанное профессором CSHL Дэвидом Джексоном и его коллегами, опубликовано 3 февраля в онлайн журнале Nature Genetics. Оно стало кульминацией более чем десятилетних исследований и многочасовых размышлений над тем, какие манипуляции с геномом кукурузы позволят увеличить количество зерен в початке.
Рост и развитие растений определяется функционированием особой ткани -- меристемы (активно делящихся и растущих клеток). Аналогом меристемы у животных служат стволовые клетки. В соответствии с "командами" из ядра, клетки меристемы развиваются в различные ткани и органы -- листья, цветы, корни и т.п. Команда Джексона работала над изучением того, как количественные изменения регуляторных цепей в клетках меристемы сказываются на росте и урожайности растений. "Наша несложная гипотеза состояла в том, что увеличение размера меристемы, формирующей соцветия (она дает начало цветкам, в которых после опыления завязываются зерна), приведет к развитию более крупных структур, которые позднее превратятся в початки", -- пояснил он.
Д-р Питер Боммерт, работавший на позиции  постодока в лаборатории Джексона, изучая несколько разновидностей кукурузы, нашел то, что ученые называют локусы количественных признаков (QTL): участки хромосом, изменения в которых отражаются на отдельных сложных признаках растений, таких как урожайность, например. Проведенный анализ указал на ген FEA2. Джексон заинтересовался им еще в 2001 г., после того как впервые клонировал его. Вскоре после этого Джексон возглавил группу одаренных студентов из Лонг-Айленда в рамках программы "Партнерство для Будущего". Они изучили тысячи кукурузных початков. Перед студентами была поставлена несложная задача: подсчитать количество рядов семян в каждом початке. Это было частью научного проекта, финансировавшегося по итогам их победы в конкурсе "Intel Science".
Тем временем Джексон решал вторую часть загадки, необходимую для достижения поставленной цели. В результате ученые доказали, что если экспресируется один из не совсем полноценных вариантов FEA2, и синтезируется лишь отчасти функционирующий белок, размер меристемы, из которой формируется соцветие, увеличивается, а это значит, что такие растения кукурузы формируют початки с большим количеством рядов зерен.
Насколько больше? Два различных варианта кукурузы с отличающейся от нормальной версией гена FEA2, формируют в среднем 18--20 рядов и дают более 289 зерен в початке; для сравнения: растения с исходным вариантом гена формируют початки с 14--16 рядами и 256 зернами. В итоге, мутантные по FEA2 растения дают на 13% более высокий выход зерна кукурузы.
Джексон отметил, что увеличение количества рядов и зерен не сопровождалось уменьшением размера початка или его деформацией. Если ген FEA2 оказывается полностью "выключенным" то происходят именно эти два явления, приводящие к резкому снижению урожайности.
Ученый заметил, что теосинит, скромный дикий предок кукурузы, начал изменятся около 7 тыс. лет назад. Среди прочих процессов, сопровождавших его эволюцию, происходило увеличение количества рядов зерен с 2 до 20 (у некоторых высокопродуктивных современных сортов).
Следующим шагом в работе ученых станет скрещивание вариантов со "слабым" FEA2 с лучшими линиями кукурузы, используемыми в современном сельском хозяйстве. Ученые ожидают получить в результате сорта с еще более высокой урожайностью.