Генетика для выведения новых сортов и способность растений к адаптации

Пример прикладной работы генетики — она буквально в каждой булке, печенье, в каждой карбонаре, пепперони. Мы вообще мало порой задумываемся, что всего 100 лет назад наши предки банально помирали миллионами, потому что и без того унылые 1000 кг с га, сменялись 300 кг с га и наступал голод.

Казахстан, страна степная и на данном участке истории климат там стал жарче, суше. Встал вопрос о повышении урожайности пшеницы, когда воды мало или вообще по месяцу не бывает. К 2019 году казахастанские селекционеры навыводили 45 сортов озимой пшеницы, с разной генетикой и с разным потенциалом. Озимая лучше подходит для сухого климата, хотя по урожайности может отставать, зато стабильнее даёт урожаи. Осталось прогнать на площадке селекционной и посмотреть результаты.

https://www.mdpi.com/2673-7655/5/6/76 Screening of Winter Wheat Accessions from International Variety Trials for Drought Resistance in Southeastern Kazakhstan

С 2019 по 2022 проводили испытания. Замечу — даже готовые сорта требуют прогонки в течение 3-х лет. Моментально, это только в сказке. Генетика не волшебство, а работа с огромным набором тех же сортов и вариантов как их правильно разводить. Каждый сорт заранее изучили на генотип и составили его карту. В засушливой гонке победили 3 сорта:

BONITO-37/MV10-2000 — 5300 кг с га.

LYMARIVNA — 5600 кг с га. А при нормальных дождях, урожайность 9 000 — 11 000 с га.

OK12D22004-016 — 5200 кг с га.

Для понимания проблемы селекционеров. Тот же сорт LYMARIVNA должен соответствовать ещё куче параметров, помимо засухоустойчивости. Один список болезней пугает. А ещё пшеница не должна легко падать от ветра и дождя, не должна осыпаться при том же ветре и дожде.

Поскольку я ну просто обожаю историю — немедленно «пруф» на урожайности прошлых лет в СССР, скажем 1920 — 1940.

https://istmat.org/node/18493 — Урожай пшеницы и хлебозаготовки 1932 года в Днепропетровской области

Это в 1932 году, он был как раз засушливый. И вот что тогда получалось при засухе. Это Украина в таблице, а что творилось при засухе в Казахстане? Ещё минус 30% от урожайности. Средний урожай озимой при засухе — 500 кг с гектара.

В засушливых условиях сорт 1995 года — СТЕКЛОВИДНАЯ 24, даёт в пределах 20 000 кг с га. При обычных условиях, без полива стекловидная даёт 2600 кг с га. Ну а новые сорта будут давать в два раза больше даже при сильной засухе. Уровень!

Эксперимент проводили в Заилийском Алатау, 48° с.ш., 77° в.д.. Каждый сорт сажали на площадке, в отдельные блоки, с одинаковой почвой, по 3 блока на каждый сорт — по 10 м2. Почвенный покров участка представлен светло-каштановыми среднесуглинистыми почвами с содержанием гумуса (0–30 см) до 3,0%. В почве содержится 0,15% общего азота, 0,21% фосфора и 1,67% калия.

https://www.mdpi.com/2075-4655/9/3/31 Dynamics and Malleability of Plant DNA Methylation During Abiotic Stresses

Главная преграда для выведения сортов реально продуктивных — растение, когда засуха-жара-засоление, реагируют на уровне эпигенетики. И если не анализировать всё время все генотипы, всех сортов, то получатся ямы — вроде высеял сорта, началась засуха, растения дали один урожай. Второй раз сажаешь — урожайность снизилась у тех, кто давал хороший урожай год назад или болезнь какая-то поразила эти сорта. В общем простая селекция уже давно ( с 1920 -х ) не может поймать удачный вариант. Надо и засуху пережить хорошо и на болезни быть устойчивым.

Растения ж бегать не могут, как кабаны. Потому они сотни миллионов лет выживали по принципу — у кого лучше биохимия сыграет, тот и выжил. Эпигенетика это метилирование ДНК ( к некоторым генам цепляются метильные молекулы и замедляют постепенно их работу ), модификация гистонов, малая РНК и ремоделирование хроматина.

Общая суть:

1 — Если есть стресс, например холод, тяжёлые металлы попали, жара, засуха — внутри растения биохимия либо снижает работу некоторых генов, либо усиливает.

2 — Задействуются гены отвечающие за регулирование транспорта ионов, антиоксидантную защиту, гормоны, вторичный метаболизм.

3 — Изменения генов через эпигенетику сохраняются и у самого растения и иногда передаются на несколько поколений растений.

4 — Такие изменения передаются при митотическом делении клеток — это когда само растение растёт, то есть в течение жизни этого растения. Так же иногда отрегулированные гены передаются при мейотическом делении — это уже половое размножение у растений. То есть иногда сама генетика не поменялась, гены в хромосомах на тех же местах, но часть генов работает сильнее, часть слабее, растение по разному теперь реагирует на стрессы и это передаётся по наследству.

5 — Но эта регулировка во многом хаотичная. Все растения разные, как и люди. Буквально каждая хромосома, в каждом растении — чуток отличается, даже если сорт из одной линии. Линия — это когда вырастили семена одного сорта в одних условиях. Почти невозможно предсказать, как изменится метилирование-эпигенетика, регуляция хроматина и так далее у каждого из растений.

6 — В итоге если кто то захочет замутить именно селекцию на основе эпигенетики, столкнётся этой проблемой — нестабильностью результатов на каждом их растений и на каждом новом поколении растений.

7 — Итого — если кто-то в прошлом надеялся тренировками «приучить» растения к засухе, его попытки были обречены. Как и вообще любые тренировки. Эпигенетика это биохимия, но не стабильная, а без конца реагирующая на всё подряд. Её плюс — она даёт выживать сотни миллионов лет подряд всему живому. Стало засушливо? Эпигенетика откалибрует как может потребности в воде. Но тоже самое растение, когда воды станет побольше…правильно, изменится его эпигенетика и растение будет пить больше, есть больше, плодоносить меньше или больше.

8 — Но эти же наблюдения за геномом дают понимание — его надо всегда изучать, у всего что можно. Можно в итоге найти более стабильные наследования эпигенетики, затем за это зацепиться и вместе с этими данными улучшить выведение сортов растений на основе обычной генетики.

Пример того, как эпигенетика реагирует на засуху и жару.

1 — При жаре выше нормы на 10-15 градусов, меняется архитектура хроматина — хроматин в комплексе с ДНК, белками и РНК формирует основу хромосом. В хроматиновом веществе в итоге передаётся информация от нуклеинов к белкам, копирование ДНК молекул и починка биохимических дефектов в ДНК. Так вот при жаре нарушается структура гетерохроматина — это часть хроматина оберегающая ДНК от лишних мутаций. Происходит ацетилирование гистонов — это белки в хроматине, тоже очень важные. ДНК в итоге снижает свою метилированность. Если не снизить-повысить её в таких генах как ROS1 ( снизить ), CMT3 ( повысить ), мутации убьют растение.

Напомню — чем больше метилирование гена, тем слабее он работает, словно регуляция звука на клавишу. В частности такие гены регулируются у резуховидки таля. А те варианты семян-генотипов, у которых так гены не заметилировались — погибают. Нарушенная работа хроматина повышает активность генов ELF7 , DEL2 и BRF3 и во время жары такое растение, вместо замедления роста, пытается активно прорастать и гибнет.

2 — У кукурузы на фоне жары меняется метилирование 325 генов. Эти гены задействованы в восстановлении повреждённых участков ДНК, биосинтезе крахмала, в сборке сплайсосомы, транспорте РНК и метаболизме углерода. В частности 9 генов усиливали сплайсинг, то есть деление РНК.

3 — У тополя симона во время жары меняется работа микро РНК, которые в итоге регулируют гены, отвечающие за обмен липидов и окислительные реакции на стресс.

4 — У хлопка при жаре меняется метилирование 5130 генов — они отвечают за биосинтез гормонов, метаболизм тиамина, глутатиона, тирозина.

5 — Рис в ответ на жару выдаёт меньшие по размеру семена. Эта биохимия — итог подавления ДНК-метилтрансферазы OsCMT3 и усиления работы Fertilization-Independent Endosperm1 ( OsFIE1 ). Семена мельче, но растение в итоге не гибнет зазря, а оставляет следующее поколение.

Общий принцип — при любом типе ухудшения условий, будут меняться настройки тысяч генов. Эти изменения с одно стороны быстрые, меняют растение на несколько поколений и могут сохраняться пока есть данные условия. Но с другой стороны при изменении условий всё либо откатится назад, либо станет вообще другим.

У природы одна стабильность — надо выжить и оставить потомство. Стабильности в понимании человека в природе не существует.

Заодно эти процессы накладывают ограничение на любые манипуляции с ДНК. Вынуть и вставить один ген — это ничто. Гены работают парами, сотнями, тысячами на разные процессы. Смена обмена веществ у хлопка и вот задействованы 5130 генов, а всего у хлопка 40 000 генов и конечно смена работы 5130 генов обязательно повлияет на все остальные 35 000, они тоже будут меняться эпигенетически. Каждый ген, в каждом семени переставить и перенастроить вообще не реально. Единственный рабочий путь — селекция плюс генетика и эпигенетика, анализ генотипов, коррекция селекции сообразно данным генотипов.

Это же пока блокирует любые серьёзные изменения генетики людей. Тот же рак нарушает работы сотен и тысяч генов, исправление даже ста ничего не даст, плюс остальные гены тоже начнут меняться из за влезания в геном. Да плюс гены раскиданы буквально в каждой клетке, каждого организма и просто так запустить размножение нужной клетки, с нужным генотипом пока нерешаемая задача. А вот пихнуть нужные вещества и попробовать запустить «самоотладку» иммунитета — это реально и тоже основано на точном изучении генотипов.

Источник: habr.com