Открытие ключевого генетического модуля открывает путь к созданию сортов риса, способных лучше переносить холодовой стресс и эффективнее использовать азотные удобрения, что критически важно для стабильности урожаев в условиях учащающихся замороданий. Исследователи под руководством профессора Чонг Кана, академика Китайской академии наук, идентифицировали так называемый «интеллектуальный молекулярный модуль» — Chilling Phoenix (CHPO), который автоматически меняет свою функцию в зависимости от температуры окружающей среды.
В ходе холодового стресса CHPO повышает устойчивость растения к низким температурам, а при возвращении к нормальным условиям он переключается на усиление поглощения азота и регенерации побегов. Для выявления этого модуля ученые использовали полногеномные ассоциативные исследования (GWAS), картирование локусов количественных признаков (QTL) и клонирование на основе карт, определив скорость регенерации побегов после охлаждения как ключевой показатель.
Был обнаружен превосходный аллель CHPO jap, происходящий от китайского дикого риса и положительно отобранный в процессе одомашнивания риса японского типа умеренного климата. В сравнении с ним аллель indica, CHPO ind, содержит иное количество GCG-повторов в кодирующей области, что ведет к различным реакциям на холод, предпочтениям связывания ДНК и противоположным эффектам в устойчивости.
Механистический анализ показал, что CHPO jap динамически переключает регуляторную программу между фазами охлаждения и восстановления: во время холодового стресса он накапливается в ядре и активирует гены, связанные с охлаждением, а в период восстановления напрямую активирует ген транспортера азота OsNRT2.4, подавляя OsTCP19, тем самым повышая эффективность использования азота и способствуя регенерации побегов.
Для оценки селекционного потенциала модуля была разработана новая система фенотипирования устойчивости к холоду. После воздействия низких температур растения восстанавливали в различных условиях азотного питания, а затем пересаживали в поле для оценки урожайности. При всех вариантах азотного питания растения с избыточной экспрессией CHPO jap неизменно давали более высокий урожай зерна с одного растения и демонстрировали большую эффективность использования азота по сравнению с растениями дикого типа, в то время как мутанты CHPO показывали противоположный фенотип.
Исследование раскрывает молекулярный механизм, координирующий устойчивость к холоду с эффективностью использования азота, давая генетическое объяснение давней сельскохозяйственной практике применения азотных удобрений для стимуляции повторного роста побегов после холодового стресса. Оно также предлагает молекулярный модуль и стратегию селекции для разработки климатоустойчивых сортов риса со стабильной урожайностью и эффективным использованием азота.
Глобальное изменение климата привело к увеличению частоты региональных похолоданий, вызывая значительные потери урожая и даже неурожай, поэтому повышение устойчивости растений к стрессовым факторам и эффективности использования азота стало одной из главных задач устойчивого растениеводства. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.
