Почему нут боится жары и как ученые собираются это исправить?

Австралийские исследователи из Университета Квинсленда опубликовали в журнале Food and Energy Security работу, описывающую практический способ ускорить создание жароустойчивых сортов нута. В ней авторы объединили данные семи омических технологий, чтобы объяснить, как растение отвечает на тепловой стресс на разных уровнях — от генов до биохимических реакций. Исследователи предлагают не пытаться внедрить все методы сразу, а двигаться поэтапно: начинать с геномной селекции и фенотипирования, а дорогие «омические» слои добавлять по мере того, как они станут доступнее и понятнее. По словам учёных, узкая генетическая база современных элитных сортов уже давно сдерживает традиционную селекцию, и без новых инструментов нут не успеет адаптироваться к всё более жаркому климату.

Почему жара снижает урожай нута

Тепловой стресс бьёт по растению сразу в нескольких точках. Из-за высокой температуры нут теряет цветки и завязи, снижается жизнеспособность пыльцы, а зерно хуже наливается. В результате урожайность падает даже у тех сортов, которые считаются относительно устойчивыми. Нут — важная зернобобовая культура, и для многих аграриев потеря урожая оборачивается серьёзными убытками.

Особенно уязвим поздний посев. Именно такие поля чаще всего страдают в южном Квинсленде и северной части Нового Южного Уэльса — там, где сосредоточена значительная часть австралийских посевов нута. «Поздний посев особенно уязвим — это касается почти всей культуры в этом регионе», — поясняет руководитель проекта доктор Миллисент Смит.

Что такое омические технологии

Под этим термином скрывается целый набор методов, которые позволяют увидеть растение на разных уровнях — от структуры ДНК до реакции на внешнюю среду. Каждый метод даёт свой срез данных, а вместе они формируют объёмную картину жизни растения. Названия звучат непросто, но за ними стоят конкретные вопросы: какие гены включились в ответ на жару, какие белки производятся, какие вещества накапливаются в клетках.

• Геномика — изучает структуру и функции ДНК;
• Эпигеномика — объясняет, какие факторы включают или выключают гены;
• Транскриптомика — анализирует активность генов через РНК;
• Протеомика — исследует набор белков в клетке;
• Метаболомика — описывает биохимические процессы и обмен веществ;
• Феномика — фиксирует внешние признаки растения в динамике;
• Энвиромика — учитывает влияние окружающей среды.

Одни из этих методов уже давно стали рутиной, другие только развиваются, и их массовое применение — вопрос времени и финансов. Для нута комплексное изучение пока редкость. Большинство прежних работ ограничивались одним-двумя типами данных, небольшим числом образцов и отдельными тканями. Поэтому выводы таких исследований сложно перенести на реальные селекционные программы.

Почему новые методы пока не прижились

Хотя омические технологии выглядят многообещающе, у них есть серьёзные ограничения. Прежде всего — цена. Секвенирование генома, анализ белков или метаболитов для десятков тысяч образцов, которые нужны селекционерам, может оказаться экономически невыгодным. Кроме того, данные разных уровней очень трудно объединить друг с другом: как связать изменения в ДНК с внешними признаками растения или с погодными условиями?

Аспирант Каллум Джейми говорит, что исследования часто были узкими: один или два набора данных, малое число генотипов, одна ткань. «Наша способность переносить эту информацию на селекционные популяции тоже ограничена», — добавляет он. Из-за этого сложно понять, какой именно метод даёт полезную информацию, а какой просто создаёт шум. В итоге многие перспективные технологии остаются в лабораториях и не доходят до полей.

Поэтапный подход вместо дорогостоящего хаоса

Чтобы преодолеть эти преграды, исследователи предлагают не гнаться за всеми технологиями сразу. Сначала — геномная селекция и фенотипирование. Эти методы сравнительно недороги и уже хорошо зарекомендовали себя. Затем, когда стоимость анализа снизится, а учёные поймут, какие данные действительно имеют значение, к ним добавят новые «омические» слои. Речь идёт не о том, чтобы полностью отказаться от омики, а о том, чтобы разумно расставить приоритеты.

«Эти технологии новы, и мы пока не знаем, какая информация даёт реальную пользу и как лучше всего объединить все данные для получения результата», — признаёт Джейми.

Тем не менее проект уже привязан к конкретной практической задаче — ускоренному созданию сортов, приспособленных к высоким температурам. Доктор Смит подчёркивает, что новые сорта необходимы, чтобы австралийские фермеры сохранили конкурентное преимущество на мировом рынке.

Остаётся открытым вопрос: какие из омических методов станут стандартом селекции, а какие так и останутся лабораторной роскошью? Ответ может появиться уже в ближайшие годы, когда первые сорта, созданные по новой схеме, начнут испытывать в полях. Показательно, что эта методология применима не только к нуту — похожие проблемы испытывают и другие культуры, страдающие от жары. Впрочем, для этого придётся решить ещё одну задачу: сделать омические технологии по-настоящему доступными для селекционеров в разных странах, в том числе с ограниченными бюджетами. Возможно, тогда нут станет модельной культурой для других зернобобовых, которые сегодня тоже страдают от климатических изменений.