Отдельные линии подсолнечника способны формировать жизнеспособные гаплоидные семена без участия пыльцы, используя механизм партеногенеза. Это открытие открывает путь к созданию масштабируемой системы получения удвоенных гаплоидов (УГ) у этой культуры, что может кардинально сократить время выведения полностью инбредных линий подсолнечника — примерно с шести лет до десяти месяцев.
Исследование, возглавляемое компанией Syngenta Biotechnology China при участии ученых из США, Франции, Великобритании, Чили, Нидерландов, Аргентины и различных институтов Китая, было опубликовано в журнале Nature под заголовком «Гаплоидный факультативный партеногенез в половом размножении подсолнечника». Открытие представляет собой ранее неизвестный путь репродукции у одной из важнейших мировых масличных культур.
Партеногенез, или размножение без оплодотворения, встречается в природе у некоторых животных, включая определенные виды птиц, рептилий, рыб и ракообразных, таких как дафнии, где самки производят потомство без участия самцов. Еще Чарльз Дарвин документировал необычные репродуктивные модели у растений. Однако у большинства цветковых растений для формирования семян требуется двойное оплодотворение: один спермий оплодотворяет яйцеклетку (образуя зародыш), а другой — центральную клетку (формируя эндосперм, питательную ткань). Без этого процесса жизнеспособные семена у большинства растений не развиваются.
Уникальность находки у подсолнечника заключается в том, что обнаруженные гаплоидные зародыши выживали, используя питательные запасы, накопленные в семядолях. Это позволило обойти стандартную потребность в развитии эндосперма, что является крайне необычным явлением для цветковых растений.
Подсолнечник — одна из ключевых масличных культур мира, глобальное производство которой в 2023 году достигло почти 55 миллионов метрических тонн. Будучи гибридной культурой, улучшение его признаков требует создания инбредных родительских линий. Традиционный метод селекции путем многократного самоопыления занимает около шести лет. Новая технология УГ обещает сократить этот срок до впечатляющих десяти месяцев.
Исследователи поставили цель изучить механизм формирования гаплоидных семян без оплодотворения у подсолнечника, выявить факторы, способствующие партеногенезу, и разработать основу для масштабируемой системы УГ. Эксперименты проводились в контролируемых условиях теплиц, камер роста и в поле. Первоначально образование гаплоидных семян было замечено во время опытов с применением химического ингибитора фосфолипазы на пыльце, что приводило к появлению мелких, сморщенных семян.
Ключевое открытие состояло в том, что семена формировались даже при полном отсутствии пыльцы, указывая на спонтанный партеногенез. Для подтверждения использовались методы проточной цитометрии, показавшие гаплоидность семян, и генетический анализ, который установил их исключительно материнское происхождение (отсутствие отцовской ДНК).
В ходе экспериментов изучалось влияние различных факторов: генетического фона (были выявлены линии, способные к партеногенезу), химических обработок, ручного и гормонального подавления пыльцы, а также условий окружающей среды. Установлено, что свет высокой интенсивности значительно увеличивает выход гаплоидов, тогда как синий или красный свет по отдельности не оказывали эффекта. Также исследовалось влияние температуры. В некоторых генетических линиях применение пыльцы кукурузы в сочетании с бором улучшало формирование гаплоидов.
Гаплоидные семена образовывались у нескольких линий подсолнечника, причем некоторые растения давали более 100 таких семян на одну корзинку. Всхожесть гаплоидных семян в почве составила 40%. Морфология зародышей часто была аномальной: многие имели неправильную форму или множественные осеподобные центры, хотя в каждом семени развивался только один зародыш. При прорастании некоторые семена давали множественные побегоподобные структуры.
Для получения здоровых растений из атипичных форм применялась культура тканей. Затем, с использованием методов удвоения хромосом, были регенерированы фертильные, удвоенные гаплоидные растения. Эти УГ-растения оказались способными к нормальному цветению и формированию семян; отдельные экземпляры дали до 188 семян.
Таким образом, обнаружен новый репродуктивный механизм у важнейшей сельскохозяйственной культуры, закладывающий фундамент для масштабируемой системы селекции удвоенных гаплоидов. Это открытие имеет потенциал значительно ускорить процесс улучшения сортов подсолнечника и расширить возможности селекции по всему миру.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование, возглавляемое компанией Syngenta Biotechnology China при участии ученых из США, Франции, Великобритании, Чили, Нидерландов, Аргентины и различных институтов Китая, было опубликовано в журнале Nature под заголовком «Гаплоидный факультативный партеногенез в половом размножении подсолнечника». Открытие представляет собой ранее неизвестный путь репродукции у одной из важнейших мировых масличных культур.
Партеногенез, или размножение без оплодотворения, встречается в природе у некоторых животных, включая определенные виды птиц, рептилий, рыб и ракообразных, таких как дафнии, где самки производят потомство без участия самцов. Еще Чарльз Дарвин документировал необычные репродуктивные модели у растений. Однако у большинства цветковых растений для формирования семян требуется двойное оплодотворение: один спермий оплодотворяет яйцеклетку (образуя зародыш), а другой — центральную клетку (формируя эндосперм, питательную ткань). Без этого процесса жизнеспособные семена у большинства растений не развиваются.
Уникальность находки у подсолнечника заключается в том, что обнаруженные гаплоидные зародыши выживали, используя питательные запасы, накопленные в семядолях. Это позволило обойти стандартную потребность в развитии эндосперма, что является крайне необычным явлением для цветковых растений.
Подсолнечник — одна из ключевых масличных культур мира, глобальное производство которой в 2023 году достигло почти 55 миллионов метрических тонн. Будучи гибридной культурой, улучшение его признаков требует создания инбредных родительских линий. Традиционный метод селекции путем многократного самоопыления занимает около шести лет. Новая технология УГ обещает сократить этот срок до впечатляющих десяти месяцев.
Исследователи поставили цель изучить механизм формирования гаплоидных семян без оплодотворения у подсолнечника, выявить факторы, способствующие партеногенезу, и разработать основу для масштабируемой системы УГ. Эксперименты проводились в контролируемых условиях теплиц, камер роста и в поле. Первоначально образование гаплоидных семян было замечено во время опытов с применением химического ингибитора фосфолипазы на пыльце, что приводило к появлению мелких, сморщенных семян.
Ключевое открытие состояло в том, что семена формировались даже при полном отсутствии пыльцы, указывая на спонтанный партеногенез. Для подтверждения использовались методы проточной цитометрии, показавшие гаплоидность семян, и генетический анализ, который установил их исключительно материнское происхождение (отсутствие отцовской ДНК).
В ходе экспериментов изучалось влияние различных факторов: генетического фона (были выявлены линии, способные к партеногенезу), химических обработок, ручного и гормонального подавления пыльцы, а также условий окружающей среды. Установлено, что свет высокой интенсивности значительно увеличивает выход гаплоидов, тогда как синий или красный свет по отдельности не оказывали эффекта. Также исследовалось влияние температуры. В некоторых генетических линиях применение пыльцы кукурузы в сочетании с бором улучшало формирование гаплоидов.
Гаплоидные семена образовывались у нескольких линий подсолнечника, причем некоторые растения давали более 100 таких семян на одну корзинку. Всхожесть гаплоидных семян в почве составила 40%. Морфология зародышей часто была аномальной: многие имели неправильную форму или множественные осеподобные центры, хотя в каждом семени развивался только один зародыш. При прорастании некоторые семена давали множественные побегоподобные структуры.
Для получения здоровых растений из атипичных форм применялась культура тканей. Затем, с использованием методов удвоения хромосом, были регенерированы фертильные, удвоенные гаплоидные растения. Эти УГ-растения оказались способными к нормальному цветению и формированию семян; отдельные экземпляры дали до 188 семян.
Таким образом, обнаружен новый репродуктивный механизм у важнейшей сельскохозяйственной культуры, закладывающий фундамент для масштабируемой системы селекции удвоенных гаплоидов. Это открытие имеет потенциал значительно ускорить процесс улучшения сортов подсолнечника и расширить возможности селекции по всему миру.
