Łatwo przeoczyć to, co dzieje się pod ziemią na polu kukurydzy, ale architektura korzenia kukurydzy może odgrywać ważną rolę w pozyskiwaniu wody i składników odżywczych, wpływając na tolerancję na suszę, efektywność wykorzystania wody i zrównoważony rozwój. Gdyby hodowcy mogli zachęcić korzenie kukurydzy do wzrostu pod bardziej stromym kątem, uprawa mogłaby potencjalnie uzyskać dostęp do ważnych zasobów głębiej w glebie.
Pierwszym krokiem w kierunku tego celu jest poznanie genów zaangażowanych w grawitropizm, wzrost korzeni w odpowiedzi na grawitację. W nowym badaniu opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences, naukowcy z University of Wisconsin, we współpracy z badaczami z University of Illinois. zidentyfikować cztery takie geny w kukurydzy i roślinie modelowej Arabidopsis.
Kiedy kiełkujące ziarno jest obracane na bok, niektóre korzenie wykonują nagły, stromy zwrot w kierunku grawitacji, podczas gdy inne obracają się o ułamek wolniej. Naukowcy wykorzystali metody widzenia maszynowego, aby zaobserwować subtelne różnice w grawitropizmie korzeni w tysiącach sadzonek i połączyli te dane z informacjami genetycznymi dla każdej sadzonki. W wyniku zmapowano prawdopodobne pozycje genów grawitropizmu w genomie.
Mapa doprowadziła naukowców do właściwego sąsiedztwa w genomie – regionów kilkuset genów – ale wciąż byli dalecy od zidentyfikowania konkretnych genów grawitropizmu. Na szczęście mieli narzędzie, które mogło pomóc.
„Ponieważ wcześniej przeprowadziliśmy ten sam eksperyment z daleko spokrewnioną rośliną Arabidopsis, byliśmy w stanie dopasować geny w odpowiednich regionach genomu u obu gatunków. Kolejne testy potwierdziły tożsamość czterech genów modyfikujących grawitropizm korzeniowy. Nowe informacje mogą pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób grawitacja kształtuje architekturę systemu korzeniowego – mówi Edgar Spalding, profesor na Wydziale Botaniki na Uniwersytecie Wisconsin i główny autor badania.
Matt Hudson, profesor na Wydziale Nauk o Uprawach na Uniwersytecie Illinois i współautor badania, dodaje: „Przyjrzeliśmy się niedostatecznie zbadanej cesze kukurydzy, która jest ważna z wielu powodów, szczególnie w kontekście zmian klimatycznych . I zrobiliśmy to, sprawiając, że różnice ewolucyjne między roślinami działają na naszą korzyść”.
Kukurydza i Arabidopsis, mały krewny gorczycy wyczerpująco opisany przez biologów roślin, ewoluowały w odstępie około 150 milionów lat w historii ewolucji. Hudson wyjaśnia, że chociaż oba gatunki dzielą podstawowe funkcje roślin, kontrolujące je geny prawdopodobnie z czasem zostały pomieszane w genomie. Okazuje się, że jest to dobra rzecz do zawężenia wspólnych genów.
U blisko spokrewnionych gatunków geny mają tendencję do układania się w mniej więcej tej samej kolejności w genomie (np. ABCDEF). Chociaż te same geny mogą istnieć w daleko spokrewnionych gatunkach, kolejność genów w regionie, na który mapowana jest cecha, nie jest zgodna (np. UGRBZ). Po tym, jak naukowcy zidentyfikowali, gdzie szukać w każdym genomie, niedopasowane sekwencje genów spowodowały, że pojawiły się wspólne geny (w tym przypadku B).
„Pomyślałem, że to super fajne, że możemy zidentyfikować geny, których inaczej byśmy nie znaleźli, po prostu porównując odstępy genomowe w niespokrewnionych gatunkach roślin” – mówi Hudson. „Byliśmy całkiem pewni, że to właściwe geny, kiedy wyskoczyły prosto z tej analizy, ale grupa Spaldinga spędziła siedem lub osiem lat więcej na zdobywaniu solidnych danych biologicznych, aby sprawdzić, czy rzeczywiście odgrywają rolę w grawitropizmie. Zrobiwszy to, myślę, że zwalidowaliśmy całe podejście, tak że w przyszłości można będzie używać tej metody dla wielu różnych fenotypów”.
Spalding zauważa, że metoda była prawdopodobnie szczególnie skuteczna, ponieważ precyzyjne pomiary zostały wykonane we wspólnym środowisku.
„Często badacze kukurydzy mierzą interesujące ich cechy na polu, podczas gdy badacze Arabidopsis mają tendencję do hodowania roślin w komorach wzrostu” – mówi. „Zmierzyliśmy fenotyp grawitropizmu korzeni w wysoce kontrolowany sposób. Te nasiona wyhodowano na szalce Petriego, a test trwał zaledwie kilka godzin, w przeciwieństwie do cech, które można zmierzyć w prawdziwym świecie, które są otwarte na wszelkiego rodzaju zmienności”.
Nawet jeśli cechy można zmierzyć we wspólnym środowisku, nie wszystkie cechy są dobrymi kandydatami do tej metody. Naukowcy podkreślają, że omawiane cechy powinny mieć fundamentalne znaczenie dla podstawowych funkcji roślin, zapewniając istnienie tych samych pradawnych genów u niepowiązanych gatunków.
„Grawitropizm może być szczególnie podatny na badania za pomocą tego podejścia, ponieważ byłby kluczem do pierwotnej specjalizacji pędów i korzeni po udanej kolonizacji ziemi” – mówi Spalding.
Hudson zauważa, że grawitropizm będzie również kluczem do kolonizacji innego krajobrazu.
„NASA jest zainteresowana uprawą roślin na innych planetach lub w kosmosie i musi wiedzieć, po co trzeba by się rozmnażać”, mówi. „Rośliny są dość rozłożone bez grawitacji”.
Artykuł „Wykorzystywanie ortologii w obrębie QTL kukurydzy i Arabidopsis do identyfikacji genów wpływających na naturalną zmienność grawitropizmu” został opublikowany w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Badania zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki.
Wydział Nauk o Uprawach znajduje się w College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences na University of Illinois Urbana-Champaign.
Źródło: https://www.sciencedaily.com