Ученые выяснили, как увеличить долю белка в кукурузе

Кукуруза (Zea mays) — основной источник корма для скота. Скорее всего, именно поэтому с некоторых пор ее селекция была направлена на повышение урожайности и содержания крахмала, а содержание белка и вкус стали второстепенным. Проследить это снижение белка возможно, однако генетические механизмы оставались неизвестными. Команда китайских ученых решила найти гены, которые отвечают за содержание белка в кукурузе, и выяснить, что произошло с ними за тысячи лет селекции.

С диким предком кукурузы, вероятно, наиболее сходны современные мексиканские дикие подвиды — Zea mays subsp. parviglumis и Zea mays subsp. mexicana (оба подвида называют теосинте). Авторы показали, что современные гибриды кукурузы содержат только 6,5–16,5% белка, тогда как дикие линии — до 30%.

Для дальнейших исследований выбрали богатую белком линию Zea mays subsp. parviglumis Ames 21814. Чтобы получить высококачественную сборку гаплотипов теосинте, исследователи скрестили Ames 21814 и современный инбредный сорт кукурузы B73 и затем секвенировали ДНК гибрида первого поколения (последовательность генома B73 была известна). Этот метод называется trio-binning: чтения из двух родительских геномов позволяют разделить длинные чтения из потомства на наборы, специфичные для гаплотипов, и затем собрать их независимо. Таким образом ученые идентифицировали локусы количественного признака (QTL, или ЛКП) — конкретные хромосомные области, ответственные за количество белка.

Важный высокобелковый ЛКП был обнаружен на 9 хромосоме теосинте. Его назвали teosinte high protein 9 (THP9). Помимо прочего, этот локус кодировал фермент аспарагин-синтетазу 4 (ASN4), который играет важную роль в метаболизме азота и позволяет связывать азот эффективнее. А азот напрямую связано с белком, поскольку в биосистемах азот содержится либо в белках, либо в свободных аминокислотах. Соответственно, растению необходимо эффективно использовать почвенный азот для повышения уровня белка в тканях.

Аллель гена THP9, который был обнаружен в теосинте, — THP9-T — высоко экспрессировался в корнях и листьях растения. Но в современных сортах этого не наблюдалось. Авторы выяснили, что в B73 сплайсинг транскриптов THP9-B73 нарушается из-за делеции в десятом интроне гена.

С помощью гибридизации исследователям удалось создать две линии кукурузы — NILTeo с высоким содержанием белка и NILB73 — с низким. Кроме того, ученые модифицировали современную кукурузу B73 так, чтобы в ней экспрессировался аллель THP9-T. Зерна трансгенных растений содержали больше белка (15–16% против исходных 12–13%) и больше свободных аминокислот, в том числе аспарагина, участвующего в азотном метаболизме.

В ходе полевых испытаний команда подтвердила, что аллель THP9-T повышает эффективность использования азота как в нормальных условиях, так и в условиях с низким содержанием азота.

Ученые отмечают, что, скорее всего, не только THP9 ответственен за содержание белка — на него могут влиять и другие, еще не обнаруженные локусы и гены.

Кукурузу индейцам майя принесли переселенцы с юга