Naukowcy rzucili nowe światło na rolę dobrze znanego genu pszenicy, który wpływa na plony pszenicy, dostarczając wiedzy, która pomoże poprawić produktywność gospodarstw i budować adaptację do zmian klimatycznych w głównych regionach uprawy zbóż.

Gen nazywa się Fotoperiod-1 (Ppd-1) i jest regularnie stosowany przez hodowców, aby zapewnić kwitnienie upraw pszenicy i zawiązanie ziarna wcześniej w sezonie, unikając trudnych warunków letnich.

„Fotoperiod-1co znacząco przyczyniło się do udoskonalenia odmian w regionach takich jak Australia, Indie i Europa Południowa” – mówi dr Scott Boden, Future Fellow w Szkole Rolnictwa, Żywności i Wina na Uniwersytecie w Adelajdzie.

„Jednak wczesne linie kwitnienia mogą również wytwarzać mniej nasion, na co wpływa rozwój struktury kwiatowej zwanej kłosem. Celem tego badania było zrozumienie tego wpływu Fotoperiod-1 w rozwijającym się pędzie poprzez badanie szlaków molekularnych kontrolowanych przez Ppd-1, zwłaszcza gdy tworzą się kwiatostany i kłoski zawierające ziarno” – powiedział Boden Kosmos.

„Nasza praca wyznacza nowe cele, które hodowcy mogą wykorzystać do poprawy potencjału plonów lub dostosowania kwitnienia do sprzyjających warunków, co będzie przydatne w obliczu ciągłych zmian klimatu”.

Zespół badawczy Bodena kontynuuje obecnie swoje prace, przeprowadzając próby terenowe w pomieszczeniu badawczym uniwersytetu, aby sprawdzić działanie linii poddanych edycji genów w warunkach terenowych.

Nieoczekiwanie niemieccy badacze odkryli podobny efekt czynnika transkrypcyjnego ALOG1 w jęczmieniu, co dostarcza ekscytujących wskazówek na temat ewolucji nierozgałęzionych kwiatostanów pszenicy i jęczmienia w porównaniu z ryżem i kukurydzą, które wykazują bardziej wyszukane wzory rozgałęzień.

Australia jest największym na świecie eksporterem pszenicy i w 2022 r. zebrała 36,2 mln ton plonów, co stanowi największe roczne zbiory w kraju.

„Pszenica dostarcza 20 procent kalorii i białka do diety człowieka, a naukowcy i hodowcy muszą znaleźć sposoby na zwiększenie plonów ziarna pszenicy o 60–70% do 2050 r., aby utrzymać bezpieczeństwo żywnościowe rosnącej populacji globalnej” – mówi Boden .

„Badania takie jak nasze są szczególnie ważne, ponieważ dostarczają listy docelowych genów, które można wykorzystać w nowych technologiach, takich jak transformacja i edycja genów, w celu wytworzenia nowej różnorodności, która może pomóc w poprawie produktywności upraw.

„Przewidujemy, że nasze badania doprowadzą do dalszych odkryć genów kontrolujących rozwój kłosków i kwiatów pszenicy, a dzięki temu przyczynią się do opracowania strategii poprawy potencjału plonów”.

Boden i jego zespół pracowali nad tym projektem przez około 7 lat, część prac wykonywana była w Adelajdzie, a reszta w John Innes Centre w Wielkiej Brytanii, w którym Boden pracował wcześniej.

Mówi, że badania przynoszą korzyści globalne: „Wiedza zdobyta w wyniku tych prac powinna mieć zastosowanie do wszystkich odmian pszenicy. Jedna z linii, której użyliśmy, zawiera wariant Fotoperiod-1 powszechnie stosowane w australijskich programach hodowlanych, dlatego uważamy, że wiele odkryć powinno zostać przeniesionych na lokalne odmiany.

„Oczekujemy jednak, że wyniki badań będą przydatne dla hodowców na całym świecie, szczególnie w krajach takich jak Indie, Pakistan, Meksyk i Chiny, gdzie różnice w Fotoperiod-1 jest powszechnie stosowany do modyfikowania czasu kwitnienia.”

Można uznać, że przełomowe odkrycia w badaniach podstawowych pomogą rolnikom w ciągu 5–7 lat, chociaż podobnie jak w przypadku wszystkich nauk podstawowych, istnieją pewne wątpliwości co do ram czasowych.

„Nie jest jasne, jakie dokładnie będzie to miało zastosowanie do rolników” – mówi Boden.

„Ze względów komercyjnych zmutowane linie, których użyliśmy do potwierdzenia funkcji genów, wygenerowano przy użyciu edycji genów CRISPR/Cas9 i prawdopodobne jest, że konieczne będzie uzyskanie licencji na komercyjne wypuszczenie tych nasion, jeśli dalsza analiza wykaże, że mogą one przynieść korzyści rolnikom .

„Uważamy jednak, że w przypadku prac nad ekspresją genów wyniki mogą natychmiast przynieść hodowcom korzyści, dostarczając wiedzy o genach, które powinny być teraz objęte programami hodowlanymi w celu poprawy płodności.

„Oczekujemy, że nasze wyniki pomogą także innym badaczom pszenicy zidentyfikować geny kontrolujące główne cechy związane z plonami, a korzyści z tej pracy mogą zająć rolnikom 5–10 lat.

„W tym roku przeprowadzimy próbę terenową GMO (organizmów zmodyfikowanych genetycznie), aby sprawdzić, czy mutant poprawia plony ziarna. Jeśli tak, to wprowadzimy te edycje do linii elitarnych i być może zostaną wydane za 5-7 lat, w zależności od wymagań licencyjnych związanych z wykorzystaniem CRISPR.”

Zrozumienie genetyki pszenicy następuje w momencie, gdy rolnicy przystosowują się do klimatu, na który wpływają gazy cieplarniane i emisje paliw kopalnych.

„Czas kwitnienia jest dla rolników głównym czynnikiem branym pod uwagę, ponieważ linie wcześnie kwitnące są narażone na atak mrozu, natomiast linie kwitnące późno są narażone na upały i suszę w końcowym okresie sezonu” – mówi Boden.

„Przewidujemy, że tradycyjny optymalny okres kwitnienia ulegnie zmianie wraz ze zmianą klimatu, dlatego potrzebne będą odmiany oferujące rolnikom alternatywne strategie siewu i kwitnienia. Jedna ze zidentyfikowanych tutaj linii może przyczynić się do opracowania nowych strategii dotyczących czasu kwitnienia, szczególnie w systemach wieloplonowych.

Badanie zostało opublikowane w Aktualna biologia.

Gen pszenicy może pomóc w gęstości białka