Как считает международная команда исследователей под руководством сотрудников Пенсильванского государственного университета, открытие гена, регулирующего угол роста корней кукурузы, может стать новым инструментом, позволяющим вывести более глубоко укореняющиеся культуры, которые лучше впитывают азот из почвы.

Как выяснили учёные, ген, названный ZmCIPK15 по его местоположению в геноме и функциям, отсутствовал в естественно образовавшейся мутантной линии кукурузы, корни которой растут под более острым углом и глубже проникают в почву. Учёные идентифицировали этот ген при помощи метода полногеномного поиска ассоциаций. Он заключается в тщательном статистическом анализе наборов генных вариаций по всему геному в разных линиях растения, чтобы определить, какие гены отвечают за ту или иную черту.

Лидер команды Джонатан Линч рассказал, что им было важно выявить ген, контролирующий угол роста корня у кукурузы. Этот ген влияет на глубину погружения корней, на которой они питаются. В свою очередь более глубокие корни лучше захватывают азот. Культивирование кукурузы с повышенной способностью захвата азота, как отметил специалист, может повлиять на мировую окружающую среду, экономику и обеспечение продовольствием.

«Кукуруза — самая важная культура в мире. В богатых странах, таких как США, наибольшие  энергетические, экономические и экологические затраты при выращивании кукурузы приходятся на азотные удобрения, — пояснил Линч. — Более половины азотных удобрений, применяемых при выращивании кукурузы, так и не всасываются. Они просто смываются глубже в почву, где загрязняют грунтовые воды, а часть их них попадает в атмосферу в виде парникового газа закиси азота. Это огромная проблема».

При этом, как отметил Линч, в таких регионах, как Африка, где люди больше зависят от употребления кукурузы в пищу, почвы бедны азотом, и фермеры не могут позволить себе купить удобрение, даже если оно есть на рынке. Урожайность кукурузы в Африке в разы меньше, чем в США. Глубоко укореняющаяся кукуруза помогла бы бедным странам собирать больше урожая в условиях ограниченного содержания азота в почве.

Чтобы найти ген, регулирующий угол роста корней, исследователи из Пенсильванского государственного университета отслеживали почти пятьсот линий кукурузы в Южной Африке на протяжении четырёх лет. Они провели полевые эксперименты в Центре сельскохозяйственных исследований имени Рассела Э. Ларсона и тепличные эксперименты в кампусе Пенсильванского государственного университета. Их проводили, чтобы определить фенотип мутантных и стандартных растений и протестировать полезность изменения угла роста корня для захвата азота.

Исследователи выкопали некоторые растения и измерили их корни, чтобы проверить функциональную важность гена ZmCIPK15. Как отметила преподаватель Вагенингенского университета Ханна Шнайдер, возглавившая исследование, он вызывал изменение угла роста корня приблизительно на десять градусов.

«Кроме улучшенного всасывания глубинного азота мы ожидали, что рост корня под более острым углом у растений с мутацией гена cipk15 приведёт к их большей устойчивости к засухам. Но в наших экспериментах это не привело к улучшению снабжения растений водой, — сказала она. — Однако это также могло быть обусловлено сложностями с симуляцией условий засухи в Пенсильвании».

Результаты исследования опубликованы в журнале Plant, Cell and Environment. В статье исследователи сообщили об улучшении захвата азота при росте корня под более острым углом. В полевых условиях при недостаточной доступности азота растения с мутацией cipk15 после 70 дней роста имели на 18 % больше биомассы побегов и на 29 % больше азота в них, чем растения со стандартным генотипом.

По словам Линча, результаты оказались поразительными и удивили его самого. Он посчитал необычным тот факт, что при отключении какой-то части генома растению становится лучше, ведь они подобны тонко настроенным механизмам.

«Когда вы выключаете ген в таком тонко настроенном механизме, вы не ожидаете, что он заработает лучше. Но это исследование показывает, что, если выключить один ген, то корни будут расти глубже и захватывать больше азота, — пояснил он. — Для Америки это может сильно снизить стоимость и влияние производства кукурузы на окружающую среду. Для Африки это открытие может дать более высокие урожаи кукурузы, что поможет снизить пищевую нестабильность. Это открытие также может способствовать открытию подобных генов в других зерновых культурах, особенно в близких родственниках кукурузы, таких как сорго и африканское просо».