Генетические секреты хлопка позволят сделать его более устойчивым к климатическим изменениям
Хлопок - неотъемлемая часть повседневной жизни, из него делают все - от одежды до постельного белья. По мере усиления изменений климата фермеры, выращивающие хлопок, сталкиваются с угрозой снижения урожайности из-за таких проблем, как засуха и жара.
Однако новые исследования дают надежду на создание засухоустойчивых сортов хлопка.
Мировое производство хлопка
Авторы исследования отмечают, что хлопок горный (Gossypium hirsutum L.) является главным возобновляемым текстильным волокном в мире, поддерживая многомиллиардную индустрию с мировым производством 120,2 миллиона тюков хлопка.
«Это основная экономически важная культура для США и Аризоны, где хлопок возделывается на ∼50 000 га, в основном в полузасушливых условиях низкой пустыни с использованием поверхностного орошения в дополнение к ограниченным осадкам», - пишут исследователи.
«Продуктивность хлопчатника в полузасушливых районах юго-запада США находится под серьезной угрозой из-за глобального изменения климата».
Изменение климата и риск засухи
Эксперты отметили, что растущая климатическая изменчивость приводит к более жаркому лету с дневными и ночными температурами, значительно превышающими тепловой оптимум (30/22 °C) для этой культуры, а также к более низким и нерегулярным осадкам, которые подвергают хлопковые растения все большему риску засухи.
«Поэтому выявление физико-генетических механизмов, регулирующих реакцию хлопчатника на засушливые условия, представляет первостепенный интерес», - пишут исследователи.
«В частности, эта информация может быть использована для выведения новых элитных сортов хлопчатника с улучшенной адаптацией к более жарким и засушливым климатическим условиям, которые прогнозируются в ближайшем будущем.»
Как хлопок реагирует на водный стресс
В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Plant Biotechnology Journal, команда исследователей изучила реакцию 22 сортов хлопка для возделывания на засуху в условиях низкой пустыни Аризоны.
Исследователи выявили два ключевых регуляторных гена, GhHSFA6B-D и GhDREB2A-A, которые помогают растениям хлопчатника справляться с водным стрессом, сохраняя при этом производство волокна.
Эти гены работают как проводники, управляя другими генами, участвующими в реакции на засуху и развитии волокна.
Стрессоустойчивость и урожайность волокна
«Мы были рады обнаружить прямую связь между стрессоустойчивостью и поддержанием урожайности волокна», - говорит соавтор исследования Эндрю Нельсон, доцент Института Бойса Томпсона.
«Похоже, что со временем хлопковые растения выработали этот регуляторный механизм, помогающий им справляться с засушливыми условиями и при этом производить волокна, которые так важны с экономической точки зрения».
Особенно примечательно открытие, связанное с геном GhIPS1-A, который производит фермент, помогающий защитить растения от стресса засухи.
Исследователи заметили, что только одна копия этого гена, унаследованного от африканских предков хлопчатника, реагирует на регуляторный ген GhHSFA6B-D. Это говорит о том, что устойчивость хлопчатника к засухе имеет глубокие эволюционные корни, возникшие еще до его одомашнивания.
Производство волокна у растений, испытывающих стресс от засухи
Исследование также выявило крошечную генетическую вариацию вблизи гена GhIPS1-A, которая, по-видимому, влияет на производство волокна в условиях нехватки воды.
«Это единственное изменение буквы ДНК было связано с более высоким производством волокна у растений, испытывающих засуху», - отметил соавтор исследования Дюк Паули, доцент Аризонского университета. «Такие небольшие генетические различия могут стать ценными целями для селекционеров, стремящихся вывести более устойчивые сорта хлопчатника».
Учитывая увеличение частоты и силы засух из-за изменения климата, выведение сортов хлопчатника, способных процветать при меньшем количестве воды, имеет решающее значение.
Исследование дает ценные сведения и генетические цели, на которые можно ориентироваться в селекционной работе. Оно также подчеркивает важность поддержания генетического разнообразия среди сортов хлопчатника, поскольку наблюдаемый диапазон реакций на засуху подчеркивает необходимость адаптивности культур к изменяющимся условиям.
Механизм регуляции сохраняется во времени
По мнению экспертов, специализированный регуляторный механизм, выявленный ими в ходе данного исследования, по-видимому, появился у хлопчатника задолго до одомашнивания, что, скорее всего, отражает эволюционно сохраненный механизм реакции на стресс, подобный тому, который наблюдается у арабидопсиса.
Однако этот механизм, по-видимому, подвергся дополнительному отбору после видообразования, чтобы обеспечить эволюционные преимущества в условиях дефицита воды.
Необходимы дальнейшие исследования для уточнения этих механизмов и разработки методов селекции в условиях продолжающегося экологического кризиса.
