Ежегодно из-за преждевременного прорастания (PHS) теряются миллиарды долларов, связанные с сельскохозяйственными культурами, когда зерна и семена начинают прорастать на растении до сбора урожая. Этот феномен, спровоцированный теплой и влажной погодой, ставит под угрозу качество урожая и усугубляет глобальные проблемы продовольственной безопасности. Однако новые исследования, возглавленные учеными из Carlsberg Research Laboratory в Дании, выявили генетический механизм, контролирующий, когда ячмень прорастает, потенциально предлагая решение этой широко распространенной проблемы.
Корни проблемы: одомашнивание и покоящийся период
PHS – это не естественное явление; это следствие сельскохозяйственных практик. Когда первые фермеры одомашнили ячмень, они отдавали предпочтение культурам, которые быстро прорастали после посадки. Это потребовало уменьшения естественного покоящегося периода семян – жизненно важной паузы, предотвращающей прорастание до тех пор, пока не создадутся идеальные условия. Хотя эта практика позволяет быстрее сажать и потенциально получать два урожая в год, она создает значимую уязвимость: если погода внезапно становится необычайно теплой и влажной до сбора урожая, весь урожай может преждевременно начать прорастать. Это делает зерно непригодным для хранения или переработки, негативно влияя на его ценность как для продовольственных, так и для пивоваренных целей.
Разгадка генетического контроля: роль MKK3
Чтобы изучить причины PHS, исследователи сосредоточились на MKK3, гене, который уже известен своим влиянием на покой семян ячменя и других зерновых культур. Они провели всесторонний анализ ДНК более 1000 сортов ячменя, полученных с ферм и из семенных банков по всему миру. Исследование также включало выращивание различных типов ячменя в полях на протяжении нескольких сезонов, намеренно подвергая половину растений условиям, которые, вероятно, спровоцируют PHS. Благодаря сравнительному анализу пораженных и здоровых зерен, а также лабораторным исследованиям, изучающим экспрессию генов и активность белков, исследователи смогли определить, как гены MKK3 напрямую влияют на покой семян.
Несколько версий MKK3 контролируют покой семян
Исследование, опубликованное в Science, выявило критическое открытие: покой семян не контролируется одной версией гена MKK3, а, скорее, несколькими версиями. Дикий ячмень обладает только одной копией этого гена, в то время как одомашненные сорта имеют несколько. Соответственно, чем больше генов MKK3 есть у растения ячменя, тем сильнее сигнал к прорастанию, приводящий к более коротким периодам покоя.
Древние земледельческие практики сформировали генетическое разнообразие
Исследователи также изучили, как эти различные варианты MKK3 распространялись со временем в ответ на климатические условия и потребности древних фермеров. Определенные «гиперактивные» варианты были отобраны фермерами в Северной Европе, ценящими их превосходные качества солодоращения. Напротив, другие, менее активные варианты, способствующие более высокому покою, пользовались предпочтением фермеров во влажном климате, таком как Восточная Азия, где они помогали культурам выдерживать муссонные сезоны.
Будущее климатически устойчивого ячменя
Эти открытия открывают путь для современных селекционеров в разработке сортов ячменя, адаптированных к конкретным регионам и климатам. >Наша работа показывает, что понимание генетической сложности покоя семян может помочь селекционерам разрабатывать ячмень, который одновременно продуктивен и устойчив к изменению климата. Благодаря селективному скрещиванию сортов с подходящими вариантами MKK3, фермеры могут выращивать культуры, которые одновременно отличаются высокой урожайностью и менее подвержены вредному воздействию преждевременного прорастания. Это исследование открывает значительные перспективы для повышения глобальной продовольственной безопасности и поддержки устойчивых сельскохозяйственных практик.
