Новый путь к созданию более урожайных и устойчивых к болезням сортов сельхозкультур, в частности риса, предложили генетики ФИЦ Биотехнологии РАН. Как объяснили эксперты фонда, генетический код растений полон повторяющихся фрагментов ДНК, которые могут располагаться друг за другом или быть разбросаны по всему геному. Разбросанные (так называемые «прыгающие гены») влияют на работу других генов и играют важную роль в эволюции растений, их устойчивости к болезням и неблагоприятным условиям окружающей среды. Разберём, что такое прыгающие гены, как они влияют на растения и как их можно использовать для создания новых сортов.
Что такое прыгающие гены и как они работают
Прыгающие гены, или транспозоны, — это фрагменты ДНК, которые могут перемещаться из одного места генома в другое. Интересно, что они были впервые обнаружены Барбарой МакКlintок в 1940-х годах у кукурузы, за что она получила Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1983 году. Интересно, что транспозоны составляют значительную часть генома растений — до 85% у некоторых видов, включая рис. Они могут перемещаться самостоятельно (автономные транспозоны) или с помощью ферментов, кодируемых другими генами (неавтономные транспозоны). Когда транспозон встраивается в новый участок генома, он может нарушить работу гена, активировать его или изменить уровень экспрессии. Это создает генетическое разнообразие, которое является основой для естественного отбора и эволюции. Интересно, что в условиях стресса, таких как засуха или болезни, активность транспозонов может увеличиваться, что ускоряет адаптацию растений к неблагоприятным условиям.
Роль прыгающих генов в эволюции растений
Прыгающие гены играют важную роль в эволюции растений, создавая генетическое разнообразие, необходимое для адаптации к изменяющимся условиям. Интересно, что перемещение транспозонов может приводить к созданию новых генов или изменению функций существующих, что позволяет растениям развивать новые признаки. Интересно, что у риса, например, транспозоны участвовали в формировании генов, отвечающих за устойчивость к засухе и болезням. Кроме того, они могут влиять на регуляцию генов, определяя, когда и где гены активируются, что критично для адаптации к сезонным изменениям и стрессовым условиям. Исследования показывают, что растения с высокой активностью транспозонов быстрее адаптируются к новым условиям, что делает их более выживаемыми в условиях изменения климата. Это знание может быть использовано для создания сортов, которые лучше справляются с неблагоприятными условиями, такими как засуха, засоление почв и болезни.
Как прыгающие гены влияют на сельскохозяйственные культуры
- Создание новых вариантов генов, улучшающих урожайность;
- Формирование устойчивости к болезням через активацию защитных генов;
- Развитие устойчивости к засухе и другим стрессовым условиям;
- Изменение времени цветения и созревания для адаптации к климату;
- Улучшение качества урожая через изменение метаболических путей.
Исследования прыгающих генов у риса
Генетики ФИЦ Биотехнологии РАН провели детальное исследование транспозонов в геноме риса. Интересно, что они выявили несколько групп транспозонов, которые активируются в ответ на стрессовые условия, такие как засуха и болезни. Интересно, что некоторые из этих транспозонов встраиваются в регуляторные области генов, отвечающих за устойчивость к стрессу, усиливая их экспрессию. Например, транспозон, активирующийся при засухе, встраивается в область перед геном, отвечающим за закрытие устьиц, что помогает растению сохранять влагу. Кроме того, ученые обнаружили, что некоторые транспозоны участвуют в формировании устойчивости к рисовой чечетке, одному из самых разрушительных грибковых заболеваний риса. Эти находки дают ученым ключ к пониманию того, как рис адаптируется к неблагоприятным условиям, и как можно использовать этот механизм для создания новых сортов.
Методы использования прыгающих генов в селекции
Ученые разрабатывают методы использования прыгающих генов для создания новых сортов риса. Интересно, что один из подходов — активация определенных транспозонов в контролируемых условиях для создания генетического разнообразия, из которого селекционеры могут выбрать растения с желаемыми признаками. Интересно, что другой метод — редактирование генома с использованием CRISPR для встраивания транспозонов в определенные участки генома, чтобы активировать или деактивировать конкретные гены. Кроме того, ученые изучают естественные варианты риса с активными транспозонами, которые уже демонстрируют улучшенные признаки, такие как устойчивость к засухе, и используют их в традиционной селекции. Эти методы позволяют ускорить процесс создания новых сортов, которые могут быть устойчивы к болезням, засухе и другим стрессовым условиям, что особенно важно в условиях изменения климата и роста населения.
Преимущества перед генетически модифицированными растениями
Использование прыгающих генов в селекции имеет несколько преимуществ перед традиционными генетически модифицированными растениями (ГМО). Интересно, что методы, основанные на транспозонах, часто не требуют введения чужеродных генов, что делает полученные сорта более приемлемыми для регулирования и общественного восприятия. Интересно, что активация естественных механизмов растения, таких как транспозоны, создает изменения, которые могли бы возникнуть и в природе, только гораздо медленнее. Это делает полученные сорта более похожими на те, которые могли бы появиться в результате естественной эволюции, что снижает риски и повышает безопасность. Кроме того, методы, основанные на транспозонах, могут быть более точными и контролируемыми, чем традиционная селекция, что позволяет быстрее получать сорта с желаемыми признаками. Это делает подход перспективным для создания новых сортов без использования спорных методов генной инженерии.
Экономические и экологические выгоды
Создание сортов риса с использованием прыгающих генов может привести к значительной экономии и улучшению экологической ситуации. Интересно, что сорта, устойчивые к болезням, снизят потребность в пестицидах, что уменьшит загрязнение окружающей среды и снизит затраты фермеров. Интересно, что сорта, устойчивые к засухе, позволят выращивать рис в регионах с дефицитом воды, расширяя площади для выращивания культуры. Кроме того, увеличение урожайности снизит давление на земельные ресурсы, позволяя производить больше еды на той же площади, что важно в условиях роста населения. Для развивающихся стран, где рис является основным продуктом питания, такие сорта могут улучшить продовольственную безопасность и снизить голод. Это делает исследования прыгающих генов не только научно интересными, но и социально значимыми для всего человечества.
Почему это важно для будущего сельского хозяйства
Это исследование показывает, как понимание фундаментальных механизмов генетики может привести к прорыву в сельском хозяйстве. Интересно, что вместо того чтобы вводить чужеродные гены, ученые учатся использовать естественные механизмы растений для улучшения их свойств. Для сельского хозяйства это означает возможность создания новых сортов, которые лучше справляются с вызовами изменения климата, болезней и роста населения. Для всего человечества это шаг к более устойчивому и безопасному будущему, где продовольственная безопасность не зависит от химических удобрений и пестицидов. В условиях, когда традиционные методы селекции становятся недостаточно быстрыми для реагирования на быстро меняющиеся условия, использование прыгающих генов может стать ключом к созданию сортов, способных выдержать будущие вызовы. Это не просто новый метод селекции, а новый подход к пониманию и улучшению сельскохозяйственных культур, который может изменить будущее питания для всего человечества.
