Китайские учёные разгадали загадку «союза» азиатского и африканского риса, положив конец десятилетиям затруднений в селекционной отрасли

Репортаж от Wedoany，Почему у потомства от скрещивания азиатского культурного риса с африканским культурным рисом массово нарушается фертильность пыльцы, а метёлки получаются щуплыми и редкими? Эта загадка, десятилетиями мучившая селекционеров, была разгадана благодаря важной статье, опубликованной 28-го числа в международном академическом журнале «Science»: исследовательская группа под руководством академика Инженерной академии Китая Вань Цзяньминя обнаружила в гибридных растениях азиатского и африканского культурного риса сложную систему генетического конфликта, состоящую из трёх генов, которая приводит к стерильности пыльцы риса. Это впервые раскрывает молекулярный механизм репродуктивной изоляции между этими двумя видами риса, обеспечивая важную теоретическую основу и зародышевые ресурсы для выведения новых сверхурожайных азиатско-африканских гибридных сортов риса.

В «семействе» риса лишь азиатский культурный рис и африканский культурный рис были одомашнены и культивируются человеком. Учёные надеются на «союз» этих двух видов риса для выведения новых сортов, которые были бы одновременно высокоурожайными и «выносливыми». Однако у потомства от скрещивания азиатского и африканского культурного риса жизнеспособность пыльцы крайне низка, а завязываемость семян значительно снижается, что блокирует обмен и рекомбинацию ценных генов, а также использование межвидового гетерозиса.

Что именно приводит к тому, что «1+1<2»? После 18 лет напряжённой работы команда расшифровала молекулярный механизм локуса RHS3 на хромосоме 3 в гибридных растениях азиатского и африканского культурного риса.

Фенотипы растений, пыльцы и колосков азиатского культурного риса, африканского культурного риса и их гибрида F₁. Фото предоставлено исследовательской группой.

Хэ Сяодун, первый соавтор статьи и аспирант Нанкинского сельскохозяйственного университета, объяснил, что локус RHS3 состоит из генов ORF10, ORF16 и ORF4, которые образуют систему генетического конфликта. Среди них белок, кодируемый ORF10, действует как «копьё», разрушая митохондрии, снабжающие рис энергией, и убивая пыльцу; белок, кодируемый ORF16, действует как «щит», который может взаимодействовать с «копьём», нейтрализуя его поражающую способность и защищая нормальное развитие зародышевого мешка и пыльцы; белок, кодируемый ORF4, действует как «доспехи», являясь растительным специфичным селективным рецептором аутофагии: взаимодействуя со «щитом», он образует комплекс «копьё-щит-доспехи», отправляя «копьё» в «пункт переработки» клетки — аутофагосому для деградации, тем самым специфически защищая зародышевый мешок.

Примечательно, что африканский культурный рис обладает полным комплектом «копьё-щит-доспехи», тогда как азиатский культурный рис имеет только «доспехи». Это приводит к тому, что у их гибридного потомства образуются два типа пыльцы: один наследует полный комплект «копьё-щит-доспехи» и остаётся невредимым; другой наследует только «доспехи», но не «щит», и поэтому атакуется «копьём», что приводит к стерильности, в конечном итоге вызывая полустерильность пыльцы гибридов.

«Это открытие впервые выявило молекулярный механизм участия селективной аутофагии в межвидовой репродуктивной изоляции растений, а именно: ORF4 является растительным специфичным селективным рецептором аутофагии, который может напрямую индуцировать деградацию ORF10 посредством аутофагии, регулируя тем самым межвидовую репродуктивную изоляцию», — заявил Ван Чаолун, соавтор-корреспондент статьи и профессор Нанкинского сельскохозяйственного университета.

Что ещё более важно, исследовательская группа идентифицировала широкосовместимый зародышевый материал, у которого «щит» функционален, а «копьё» утратило активность. При скрещивании такого материала как с азиатским, так и с африканским культурным рисом эффективно преодолевается проблема снижения фертильности, вызванная локусом RHS3. Это означает, что учёные нашли «ключ» к преодолению репродуктивной изоляции, обеспечив технический путь и зародышевые ресурсы для использования отдалённого гетерозиса азиатского и африканского риса.

Вань Цзяньминь заявил, что на следующем этапе команда углубится в изучение множества локусов гибридной стерильности риса, стремясь как можно скорее вывести новые сверхурожайные сорта риса с отдалённой гибридизацией, пригодные для производственного применения.