Проучване разкрива огромнен неизползван генетичен потенциал на пшеницата

Открит е огромен генетичен потенциал, който е неизползван в съвременните сортове пшеница. Международното проучване, което се появи в Nature, разкрива, че най-малко 60% от генетичното разнообразие, намерено в историческото развитие на пшеницата, е неизползвано, което предоставя безпрецедентна възможност за подобряване на съвременната пшеница и устойчиво изхранване на нарастващо глобално население.

За да направи това откритие, междуинституционално сътрудничество, ръководено от д-р Саймън Грифитс от John Innes Center и професор Shifeng Cheng от Института по селскостопанска геномика в Шенжен, Китайската академия на селскостопанските науки (CAAS), проучи колекцията A.E. Watkins Landrace, a историческа колекция от местни сортове пшеница, които вече не се отглеждат никъде по света, и сравнява това със съвременните пшеници.

Постижението е резултат от съвместни усилия на консорциума, казва професор Ченг, „Ние изградихме съвместен и допълващ се консорциум с пълна откритост, правейки ресурси в зародишна плазма, геномни и фенотипни набори от данни, публично достъпни чрез Watkins Worldwide Wheat Genomics to Breeding Portal. Нашите усилия улесниха и ускориха много съществуващи проекти както във фундаменталните изследвания, така и в развъдните практики.

Един от ключовите фактори, които допринасят за успеха, е задълбоченото фенотипиране, обхващащо експериментални станции от Обединеното кралство (три места) и оценка на място (пет места) от северен до южен Китай. В това проучване са изследвани общо 137 черти. Тази работа беше особено подкрепена от Rothamsted Research, който работи като център за фенотипиране, за да добави разбиране за качествата и характеристиките на пшеницата, за да свърже реколтата с генетичната последователност.

Екипът изгради карта на геномната вариация на пшеницата, карта на асоциацията на хаплотип-фенотип. Сравнението ландрас и сорт разкрива, че съвременните сортове пшеница използват само 40% от генетичното разнообразие, открито в колекцията Watkins.

Оставащото разнообразие представлява златна мина с потенциал за подобряване на съвременната пшеница, казва д-р Грифитс, ръководител на групата в Центъра Джон Инес и автор на доклада, „Тези липсващи 60%, открити в това проучване, са пълни с полезни гени, от които се нуждаем, за да хранят хората устойчиво. През последните десет хиляди години сме били склонни да избираме черти, които увеличават добива и подобряват устойчивостта към болести.“

Колекцията A.E. Watkins Landrace от хлебна пшеница (колекция Watkins), събрана през 20-те и 30-те години на миналия век от 32 страни, представлява най-изчерпателната колекция от историческа пшеница навсякъде по света.

Колекцията предоставя моментна снимка на разнообразието от култивирана пшеница преди появата на модерното, систематично развъждане на растения и показва как генетичната вариация е разпръсната в клъстери или групи от предци по целия свят. „Можем да проследим новото, функционално и полезно разнообразие, което беше изгубено в съвременните пшеници след „Зелената революция“ през 20-ти век, и имаме възможността да ги добавим обратно към елита в развъдните програми“, казва професор Ченг.

Анализът на геномиката и биоинформатиката, извършен от изследователи от Института по селскостопанска геномика в Шенжен, позволи на консорциума да види откъде идва съвременната пшеница. Те откриха, че в световен мащаб сортовете пшеница произхождат от Централна и Западна Европа, като само две от седемте предшественици в колекцията Watkins се използват в съвременното отглеждане на растения.

Използвайки три допълващи се генетични подхода на асоцииране (картографиране на QTL, GWAS и NAM GWAS), екипът откри стотици уникални хаплотипове на Уоткинс, които могат да придадат превъзходни черти на съвременните пшеници, информирайки животновъдите да знаят какви екземпляри носят какви полезни генетични локуси или алели в тяхното развъждане програми.

Ключови черти, които вече са открити в това неизползвано разнообразие, включват ефективност при използване на азот, устойчивост на охлюви и устойчивост на вредители и болести.

Д-р Грифитс добавя, „Има гени, които ще позволят на селекционерите да увеличат ефективността на използването на азот в пшеницата, ако можем да ги вкараме в модерни сортове, които фермерите могат да отглеждат, те ще трябва да прилагат по-малко торове, спестявайки пари и намалявайки емисиите. ″

Използването на торове в селското стопанство е скъпо и допринася за емисиите на парникови газове, намаляването на употребата им би могло да помогне на селското стопанство да се придвижи към нетна нула. Повишаването на ефективността на използване на азот в културите и намаляването на азотния отпечатък в селското стопанство в момента е голямо предизвикателство в световен мащаб, особено за страни като Китай.

За да постигне този безпрецедентен изследователски подвиг, екипът разработи основен набор от 119 местни сорта, които представляват широчината на генетичната вариация в колекцията Watkins. След това този набор от разнообразие беше кръстосан и обратно кръстосан в съвременна пшеница, за да се направи колекция от 12 000 линии пшеница, които сега се съхраняват в Ресурсния отдел за зародишна плазма в Центъра Джон Инес.

Това означава, че за първи път от 100 години тези изгубени характеристики са включени в съвременната пшеница и данните и инструментите вече се използват за подобряване на културите.

Това изследване установява рамка за предварително размножаване на дизайна на целия геном на пшеницата чрез свързване на геномиката с феномиката и с развъдната практика. „Приложихме стратегия преди развъждането, за да декодираме, открием, проектираме и постигнем напредък в развъждането“, казва д-р Грифитс. „Наистина революцията в геномиката води до генетична революция и революция в развъждането“, казва Шифенг Ченг. Това проучване беше наистина съвместно, дългосрочно начинание и не би могло да бъде завършено без международно сътрудничество и дългосрочно финансиране.

В сътрудничество с търговските развъдчици на растения в Обединеното кралство екипът е създал свободно достъпния набор от инструменти за развъждане, набор от онлайн ресурси, които са с отворен код и са достъпни в световен мащаб за използване от всеки. Инструментариумът предоставя интегриран набор от инструменти за изследователските и развъдните общности, позволява на другите да имат достъп и да използват ново, полезно разнообразие, за да доставят устойчива, устойчива пшеница сега и в бъдеще. Тези зародишни плазми, ресурсите и наборите от инструменти, разработени в това проучване, все още са в процес на по-нататъшно изследване в различни експериментални станции в Китай. Можем да очакваме, че тези усилия ще допринесат значително за генетичното подобряване и размножаване на пшеницата в Китай.

″Открихме, че местните сортове Уоткинс са пълни с полезни вариации, които просто липсват в съвременната пшеница, и е наложително това да се внедри в съвременното развъждане. Вълнуващо е, че гените и чертите вече се откриват с помощта на данните и инструментите, разработени през последното десетилетие.“

Тази огромна колекция от семена на пшеница е резултат от събирането на над 1000 местни сорта в началото на 20 век от 32 страни от AE Watkins през 20-те и 30-те години на миналия век

Съществува богато генетично, географско и фенотипно разнообразие в колекцията A.E. Watkins Landrace от хлебна пшеница (колекцията Watkins), която сега включва 827 местни сорта или местно адаптирани линии, събрани от европейски, азиатски и северноафрикански страни.

През последните 100 години този ресурс е бил съхраняван, съхраняван и развиван и се намира в отдела за ресурси за зародишна плазма на Центъра на Джон Инес в Изследователския парк Норич, където се грижат експертно, за да се гарантира, че може да бъде използван в полза на човечеството сега и в бъдеще бъдещето.

Въз основа на данни за генетични вариации, основен набор от 119 линии беше избран за по-задълбочени изследвания, този набор се нарича панел за разнообразие на Watkins.