CRISPR/Cas9‑опосредованная мутагенез SMXL4 изменяет высоту растений и признаки, связанные с урожайностью, у риса (cv. Samkwang)

Почему более низкие растения риса важны

По мере усиления штормов из‑за изменения климата перед рисоводами встает знакомая, но усугубляющаяся проблема: высокие растения падают до уборки. Это полегание не только осложняет механизированный сбор, но и значительно сокращает урожай и качество зерна. Корейский сорт Samkwang популярен благодаря хорошему вкусу и высокой продуктивности, но его длинные тонкие стебли особенно уязвимы. В этом исследовании проверяли, можно ли с помощью точного редактирования генов умеренно укоротить растения Samkwang, сохранив при этом их желательные свойства, что могло бы дать подсказки для селекции стоящих устойчивых к непогоде сортов.

Редактирование одного гена в любимом сорте риса

Ученые сосредоточили внимание на гене SMXL4, принадлежащем к большему семейству генов, известных своим влиянием на рост растений и развитие флоэмы — ткани, переносящей сахара от листьев к зернам. С помощью системы редактирования генов CRISPR/Cas9 они создали мутацию в SMXL4 на генетическом фоне Samkwang. Из более чем сотни отредактированных линий, нацеленных на разные гены, был выбран один SMXL4‑редактированный вариант, названный smxl4, который показал стабильный рост и заметное снижение высоты растений в полевых испытаниях. Анализ ДНК подтвердил небольшую вставку в гене SMXL4, нарушившую его нормальный код, а последующие проверки не выявили обнаруживаемых изменений в других участках генома.

Как отредактированные растения выглядят и дают урожай в поле

При выращивании бок о бок с неотредактированным Samkwang растения smxl4 были устойчиво ниже на протяжении вегетации. Их стебли (кулмы) и цветоносные метелки (паникулы) были короче, а несколько верхних междуузлий — заметно укорочены. В то же время smxl4 формировали больше паникул на растение по сравнению с Samkwang, что указывает на перераспределение ресурсов роста. Тем не менее суммарный выход зерна с участка был ниже: каждая паникула несла меньше зерен, и средняя масса зерна уменьшилась. Интересно, что сами зерна были схожи по размеру и форме, что указывает на то, что различие, вероятно, связано с наполнением зерен, а не с их внешними размерами.

Скрытые изменения в семенах и корнях

Редактирование гена также отразилось на ранних стадиях развития. В тестах на прорастание семена smxl4 и Samkwang всходили с похожей скоростью в первые два дня, но отредактированная линия отставала в последующие дни и в итоге показала значительно более низкий конечный процент прорастания. У молодых сеянцев smxl4 корни развивались короче, хотя надземная часть достигала высоты, сопоставимой с исходным сортом. Эти наблюдения указывают, что SMXL4 влияет не только на удлинение стебля, но и на выход семян из покоя и установление корневой системы — признаки, важные для равномерности посевов и устойчивости к стрессам.

Что происходит внутри стеблей

Чтобы понять внутренние механизмы изменения формы растений, исследователи сравнили активность генов в удлиняющихся сегментах стебля smxl4 и Samkwang на двух ключевых этапах — непосредственно до и сразу после выхода паникул. Было выявлено менее нескольких сотен генов с заметно измененной активностью, но выявился четкий рисунок. Многие гены, связанные со строительством и ремоделированием клеточной стенки, включая ферменты, формирующие или разрушающие компоненты стенки, были более активны в отредактированных растениях. Еще одна крупная группа генов, участвующих в защитных реакциях — таких как гены, связанные с устойчивостью к болезням и синтезом защитных веществ — также была включена в большую степень. Вопреки ожидаемому, классические гены, стимулирующие удлинение, не были массово подавлены. Авторы предлагают, что растение может компенсировать измененное развитие за счет укрепления клеточных стенок и повышенной готовности к защите, что намекает на компромисс между ростом и защитой.

Последствия для будущей селекции риса

Исследование показывает, что выключение SMXL4 стабильно дает более низкие растения Samkwang, но это сопровождается снижением урожайности и некоторыми проблемами на ранних стадиях роста. Это означает, что сам smxl4 вряд ли станет готовым решением для фермеров, стремящихся к устойчивому к штормам рису. Тем не менее работа выявляет SMXL4 как ключевой регулятор роста риса, поведения семян, развития корней и баланса между ростом и защитой. Поняв лучше, как SMXL4 влияет на функцию флоэмы и динамику клеточной стенки, селекционеры и биотехнологи смогут в конечном счете научиться более тонко настраивать его активность — вместо полного выключения — чтобы создать сорта риса, которые остаются стоять в суровую погоду и при этом эффективно заполняют зерно.

Цитирование: Kim, Y., Jun, Y., Han, J. et al. CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of SMXL4 alters plant height and yield-related traits in rice (cv. Samkwang). Sci Rep 16, 12381 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38708-z

Ключевые слова: полегание риса, редактирование генов CRISPR, высота растения, признаки урожайности, SMXL4