Сорный рис получил устойчивость к гербицидам путем гибридизации с культурным рисом

Сорный рис — это одичавший потомок культурного риса, растущий вместе с ним на полях в качестве сорняка. Частота гибридизации сорного риса с культурным считается низкой, менее 1%, поскольку рис — самоопыляемое растение. Конкурируя с культурным рисом, сорный рис снижает его урожайность и ценность полученного зерна. Бороться с ним очень трудно, поскольку требуются методы, которые не только уничтожат сорный рис, но и не навредят рису культурному. Решение проблемы было найдено в США в начале 2000-х — так называемая технология Clearfield. Поля засевали нетрансгенными сортами с устойчивостью к имидазолинам, а затем обрабатывали имидазолинами. Устойчивость растений обеспечивалась единичными аминокислотными заменами в ацетолактатсинтазе (ALS). У первых сортов это была замена G₆₅₄E, затем их заменили на сорта с более эффективной заменой S₆₅₃N. Однако уже в 2004 году появились сообщения фермеров об устойчивости сорного риса к имидазолинам, а в 2010-м до 80% растений сорного риса в США были устойчивы и имели мутацию S₆₅₃N, полученную путем гибридизации с культурным рисом.

С 2000 года в США выращивают гибридный рис, который благодаря гетерозису дает более высокие урожаи, чем традиционные инбредные сорта. Однако при этом он дает и больше самосева, распространяя по полю семена с различными комбинациями генов, которые зимуют и всходят в последующие годы. Такие растения имеют широкий разброс признаков, в том числе времени цветения, что облегчает их гибридизацию с сорным рисом.

Для исследования современной генетической структуры сорного риса ученые выполнили полногеномное секвенирование 48 образцов, полученных в 2018 году с полей штата Арканзас, где выращивается почти 50% риса в США. Поскольку популяция сорного риса не имеет четкой географической структуры, эту выборку можно считать достаточно репрезентативной. Полученные геномы проанализировали вместе с геномами сорного и культурного риса, опубликованными ранее. Анализ главных компонент показал для всех новых образцов сорного риса, кроме четырех, гибридное происхождение от сорного и культурного риса: 38 генетически были ближе к сорному остистому рису с черной шелухой (BHA), шесть — к сорному рису с желтой шелухой (SH). Эти линии сорного риса исторически произрастают на территории США. Четыре негибридных образца относились к линии SH. Оценка, основанная на уровне гетерозиготности, показала, что для большинства образцов гибридизация произошла не менее пяти поколений назад. При этом гибриды сорного риса с культурным эволюционируют в сторону сорного риса — генетическое сходство с одичавшим предком составляет 74,1% для гибридов с линией BHA и 69,2% для гибридов с линией SH, а не 50%, как следовало ожидать при нейтральном дрейфе генов.

При фенотипировании (посеве семян и обработке всходов имазетапиром — гербицидом из группы имидазолинов) большинство образцов демонстрировали высокую или умеренную устойчивость к препарату. Полное отсутствие устойчивости показали два гибрида сорного риса с полей, никогда не обрабатывавшихся по технологии Clearfield. Кроме того, была подтверждена устойчивость четырех негибридных образцов линии SH, несущих в ALS мутации G₆₅₄E, которую и ранее находили в этой линии, и S₆₅₃N, конвергентное возникновение которой у сорного риса показано впервые. Несмотря на наличие мутаций устойчивости у негибридного сорного риса, большинство современных растений сорного риса в США, переживших технологию Clearfield, — потомки не мутантов, а гибридов с культурным рисом.

История быстрой адаптации сорного риса к гербицидам показывает, что в борьбе с сорняками опасно полагаться только на один метод, даже на самый многообещающий.