Урожайность риса удалось увеличить почти на четверть за счет работы с геном.

Урожайность риса удалось увеличить почти на четверть за счет работы с геном, который помогает растениям эффективнее расти при меньшем количестве азотных удобрений. Это открытие может заметно поддержать глобальную продовольственную безопасность и сделать выращивание риса более устойчивым: в полевых испытаниях прибавка урожая достигала 24%.

Азотные удобрения для многих хозяйств остаются одной из самых дорогих статей затрат и могут составлять до трети себестоимости. При нехватке азота растения обычно переходят в режим экономии: наращивают корни, чтобы активнее искать питание, но при этом тормозят развитие надземной части и формирование зерна. Для дикорастущих видов такой компромисс полезен, но в сельском хозяйстве он напрямую бьет по урожайности. Теперь исследователи разобрались, какой молекулярный “переключатель” запускает этот сценарий.

Команда ученых из Оксфордского университета, Нанкинского сельскохозяйственного университета и Института генетики и биологии развития Китайской академии наук выяснила, что ключевую роль играет ген WRINKLED1a. Он управляет балансом между ростом корней и побегов в зависимости от того, сколько азота доступно растению. В теплицах и на полях рис с нефункциональной версией WRINKLED1a хуже адаптировался к колебаниям азота: при дефиците он не усиливал рост корней, а при избытке замедлял развитие побегов. В противоположность этому линии со сверхэкспрессией гена росли мощнее и по корням, и по надземной части, сохраняя стабильное соотношение между ними.

Особенно заметный эффект дал перенос “усиленного” природного варианта WRINKLED1a, найденного при анализе более 3000 сортов риса. После скрещивания с растениями, несущими слабый аллель, в трех полевых испытаниях в китайских провинциях Хайнань и Аньхой урожайность выросла на 23,7% при низком внесении азота (120 кг/га) и на 19,9% при высоком (300 кг/га). При этом растения удерживали устойчивый баланс между корневой и надземной массой, что и считается одной из главных причин прибавки урожая.

По словам ведущего автора работы доктора Шань Ли (Нанкинский сельскохозяйственный университет), WRINKLED1a помогает рису не попадать в привычную ловушку “больше корней, меньше побегов” при азотном голодании, обеспечивая стабильные урожаи при меньших дозах удобрений. Следующим шагом ученые планируют проверить, можно ли задействовать аналогичные гены у других культур, включая пшеницу и кукурузу.

Исследование опубликовано в журнале Science. Авторы также описали тканеспецифичную работу гена: в побегах WRINKLED1a активирует регулятор NGR5, усиливая ветвление, а в корнях включает гены поглощения азота и мешает формированию белкового комплекса, который подавляет действие ауксина, гормона роста корней.

Значимость результатов подчеркивает и общий контекст: рис остается базовой культурой для более чем половины населения планеты, но сильно уязвим к климатическим изменениям. По оценкам, каждый рост температуры на 1°C в сезон выращивания способен снизить урожайность более чем на 8%. Поэтому подход, который одновременно поддерживает урожай и снижает зависимость от агрохимии, выглядит особенно перспективно. Соавтор работы доктор Чже Цзи (Оксфордский университет) отметил, что WRINKLED1a можно рассматривать как многообещающую мишень для устойчивого улучшения сельскохозяйственных культур, а эффект от “улучшенной” версии гена в полевых условиях оказался наглядным и неожиданно сильным.