Селекционерам давно известно, что скрещивание разных инбредных линий положительно влияет на урожайность. Однако причины этого так называемого «эффекта гетерозиса» в значительной степени неясны. «По этой причине несколько лет назад мы внимательно рассмотрели одну конкретную инбредно-гибридную комбинацию», — объясняет профессор доктор Франк Хоххолдингер из Института растениеводства и сохранения ресурсов (INRES) Боннского университета. «Мы смогли показать, что гибридное потомство имеет намного больше активных генов, чем его родители.
Но в то время мы не знали, применимо ли это только к этой конкретной комбинации родительских растений, или это был общий механизм».Поэтому в настоящем исследовании ученые изучили не одну, а шесть различных инбредно-гибридных комбинаций.
Родительские инбредные линии были отдаленно родственны и равномерно распределены по всему филогенетическому дереву кукурузы. Это почти как спаривание таксы с овчаркой, затем с мопсом и, наконец, с лабрадором.«Теперь мы проанализировали, какие гены были транскрибированы в исходных растениях, а какие — в потомстве», — объясняет Ютта Балдауф из INRES. «Это подтвердило выводы нашей предыдущей работы: гибриды всегда содержали гораздо большее количество активных генов, чем их родители».Дополнение делает кукурузу более продуктивной
Растения кукурузы содержат два варианта каждого гена, также известные как аллели. Один из этих аллелей происходит от женщины, а другой от родителя-мужчины.
Часто они не одинаково активны: один вариант читается чаще, чем другой. Некоторые аллели могут даже быть полностью отключены.Поскольку распространение инбредных линий означает, что они самоопыляются на протяжении многих поколений, два аллеля большинства их генов идентичны. Это может привести к тому, что некоторые гены вообще не будут транскрибироваться.
Однако эти гены могут быть активны в другой инбредной линии. Если эти родительские линии теперь скрещиваются друг с другом, активные гены одного родителя дополняют неактивные гены другого родителя в потомстве.«Поэтому в среднем мы считаем более активные гены у потомства», — объясняет Балдауф.
И не только несколько: ученые оценивают генетический выигрыш в среднем от 500 до 600 дополнительно активных генов. Генетический материал кукурузы насчитывает около 40 000 генов. «Комплементация генов SPE, аббревиатура означает« экспрессия одного родителя », может быть одним из факторов, почему гибриды работают лучше, чем их родители», — говорит профессор Хоххолдингер.У кукурузы есть много генов, которые оставались практически неизменными на протяжении миллионов лет.
Эти «старые» гены настолько важны для растения, что мутации в них могут резко повлиять на продуктивность растения. Напротив, большинство генов SPE развились позже в ходе эволюции. Они не берут на себя жизненно важные ключевые функции и поэтому могут быть активными в одной инбредной линии кукурузы, но не в другой.
Многие из них принадлежат к определенным группам так называемых факторов транскрипции. Это белки, регулирующие активность других генов.Результаты могут способствовать выращиванию более эффективных сортов кукурузы в среднесрочной перспективе. «С генами SPE мы предоставляем растениеводам генетические маркеры для этой цели», — подчеркивает Хоххолдингер. «Возможно, удастся выбрать конкретных партнеров по гибридизации на основе этих маркеров, что может привести к получению особо высокоурожайных гибридов». Они чрезвычайно важны для долгосрочного питания растущего населения мира: эксперты ожидают, что к 2050 году урожайность сельскохозяйственных культур должна повыситься на 70 процентов.
Кукуруза уже является самой продуктивной культурой в настоящее время; поэтому он играет особенно важную роль в питании.