Новый метод повышает урожайность пшеницы на 12% через сахарные сигналы

Новый метод, основанный на улучшении передачи сахарных сигналов в растениях пшеницы, может увеличить урожайность до 12 процентов. Исследователи из Rothamsted, Оксфордского университета и Института Розалинд Франклин опубликовали результаты своей работы в журнале Nature Biotechnology. Такой прирост урожайности значительно превышает ежегодные показатели, достигаемые в настоящее время методами селекции.

Эффект достигается путем обработки растений молекулой-прекурсором трегалозо-6-фосфата (T6P). T6P – это сигнальная молекула, которая регулирует аналог «сахара в крови» у растений. Она является ключевым регулятором метаболизма, роста и развития, в том числе активирует путь синтеза крахмала – важнейшего пищевого углевода в мире.

Связь между T6P и урожайностью была обнаружена в ходе исследований, начатых в Rothamsted еще в 2006 году. Теперь четырехлетние полевые испытания на участках CIMMYT в Мексике и INTA в Аргентине подтвердили, что новая технология способна обеспечить существенное повышение урожайности.

Пшеница обладает сложной генетикой, что затрудняет ее улучшение методами селекции, особенно при работе с узкими генетическими местами в гермоплазме. Химическое применение T6P действует как переключатель для биосинтеза крахмала в зерне, который и определяет урожайность пшеницы. Это, в свою очередь, стимулирует фотосинтез во флаговом листе из-за повышенной потребности в углеродных строительных блоках для наполнения зерна.

Эксперименты в контролируемых условиях выглядели многообещающе, но новое исследование демонстрирует эффективность применения T6P и в полевых условиях. Обработка T6P не только повышала урожайность пшеницы в течение всех четырех лет испытаний в Аргентине и в дополнительный год в CIMMYT в Мексике, но и делала это независимо от количества осадков – основного неконтролируемого абиотического фактора, ограничивающего урожайность сельскохозяйственных культур во всем мире.

Существует также вероятность снижения потребности в удобрениях, поскольку обработка T6P активирует гены синтеза аминокислот и белка в зерне наряду с путем синтеза крахмала. Это важно, так как основной проблемой новых высокоурожайных сортов пшеницы является снижение содержания белка, что требует внесения большего количества удобрений для поддержания хлебопекарных качеств.

Доктор Мэтью Пол из Rothamsted, руководивший исследованием совместно с профессором Беном Дэвисом из Института Розалинд Франклин и Оксфордского университета, объясняет, что путь от открытия до внедрения занял 25 лет. Он отмечает, что такие сроки не являются нетипичными для фундаментальных исследований растений, но выражает надежду, что новые технологии, такие как AI и более быстрые аналитические методы, смогут ускорить этот процесс. Он заявляет, что для создания устойчивого и жизнеспособного сельского хозяйства в ближайшие десятилетия потребуется еще много подобных инноваций. Доктор Пол выражает благодарность своим коллегам, командам и за гранты от UKRI-BBSRC, которые сделали эту работу возможной, и говорит, что проделанный путь был трудным, но чрезвычайно полезным.

Для внедрения результатов исследования в практику Rothamsted и Оксфорд создали спинаут-компанию SugaROx. Доктор Кара Гриффитс, ведущий автор научной статьи и генеральный директор SugaROx, говорит, что очень интересно иметь возможность переносить передовые технологии из лаборатории в поле. Она добавляет, что добиться такого эффекта в полевых условиях часто бывает сложно, и эта работа демонстрирует, что новые агрохимикаты имеют огромный потенциал для повышения урожайности и устойчивости сельскохозяйственных систем, что особенно важно в условиях быстро меняющегося климата.

Профессор Дэвис говорит, что эта работа является прекрасным примером случая, когда прямая избирательная манипуляция ключевыми молекулярными структурами внутри живой системы, а не генетика или редактирование генов, кардинально меняет правила игры. Он находит очень вдохновляющим совместную разработку и открытие этого нового класса «лекарств для растений».