Атлас клеток риса может изменить подход к селекции сельскохозяйственных культур
В лабораторном комплексе близ Саньи на южном китайском острове Хайнань исследователи собрали то, о чём биологи-растениеводы мечтали десятилетиями: полную трёхмерную карту того, как рисовое растение строит себя. Работа была представлена 7 октября на конференции в Санье и получила неофициальное название первой карты жизни «Кремниевой долины Наньфань» — отсылка к тропическому центру семеноводства, где сосредоточена значительная часть китайских исследований сельскохозяйственных культур.
Проект стал результатом сотрудничества между Лабораторией залива Ячжоу, Хайнаньской лабораторией семеноводства, BGI Research и девятью другими учреждениями — всего двенадцать организаций. Вместе они отследили рис с момента прорастания семени через цветение и до растения, отягощённого зерном, фиксируя, какие гены включаются в каких клетках и где эти клетки находятся внутри растущего растения. Результат — то, что учёные называют пространственно-временным клеточным атласом: трёхмерная картина генной активности как в пространстве, так и во времени.
Необычность карты — в её масштабе. Ранние исследования обычно ограничивались одной тканью, одним органом или одним моментом. Этот атлас, напротив, объединяет геномную информацию, стадии развития клеток и пространственную экспрессию генов в единый справочник, охватывающий весь жизненный цикл. Для такого экономически важного растения, как рис, кормящего примерно половину мира, подобный охват имеет огромное значение.
Понимание того, где и когда действует ген, имеет центральное значение для селекции растений. Ген, повышающий засухоустойчивость, может помочь только в том случае, если он активен в нужных клетках корня на нужной стадии роста. Показывая точные клеточные «районы», где работает каждый ген, атлас даёт селекционерам подробное руководство, а не приблизительный набросок. Исследователи описывают цель как понимание развития растения на уровне отдельного организма, а не только изолированных клеток в чашке Петри.
Научное сообщество и раньше принимало общие справочные карты. Аналогичные атласы для человека и мыши стали стандартными инструментами, позволяя лабораториям сравнивать собственные эксперименты с общей базой. Аналогичный атлас для риса мог бы сделать то же самое для сельскохозяйственной науки, позволив командам из разных стран привязывать свои находки к одной согласованной карте вместо того, чтобы собирать картину по кусочкам.
Роль Хайнаня в проекте не случайна. Тёплые зимы в провинции позволяют селекционерам выращивать дополнительные поколения культур каждый год, сжимая то, что обычно занимает десятилетие, в несколько сезонов. Эта традиция, известная как «наньфань», давно сделала регион перекрёстком сельскохозяйственной науки. Новый атлас добавляет современный, насыщенный данными слой к практике, которая исторически опиралась на терпеливое наблюдение и скрещивание.
Практические выгоды могут ощутить фермеры далеко за пределами Китая. Рис сталкивается с растущим давлением волн жары, непредсказуемых осадков и засолённых почв, и селекционеры спешат вывести сорта, которые это выдержат. Детальная карта развития здорового рисового растения даёт им способ выявить генетические рычаги, которые стоит задействовать. Тот же подход впоследствии можно распространить на кукурузу, сою и картофель — культуры, которые соседствуют с рисом в исследовательских программах региона.
Результаты были обнародованы на конференции по пространственно-временной омике — области, изучающей, где действуют молекулы внутри живой ткани. Для читателей, не знакомых с этим термином, самое простое сравнение — карта города, которая также показывает, что происходит внутри каждого здания в каждый час. Рис теперь получил такую карту, и учёные, стоящие за ней, говорят, что следующий шаг — сделать её полезной на полях, а не только в журналах.