To, kas notiek zem zemes kukurūzas laukā, ir viegli nepamanīt, taču kukurūzas sakņu arhitektūra var spēlēt svarīgu lomu ūdens un barības vielu ieguvē, ietekmējot sausuma toleranci, ūdens izmantošanas efektivitāti un ilgtspējību. Ja selekcionāri varētu mudināt kukurūzas saknes augt stāvākā leņķī, kultūra varētu piekļūt svarīgiem resursiem dziļāk augsnē.
Pirmais solis ceļā uz šo mērķi ir apgūt gravitropismā iesaistītos gēnus, sakņu augšanu, reaģējot uz gravitāciju. Jaunā pētījumā, kas publicēts Procesu Nacionālās Zinātņu akadēmijas, Viskonsinas Universitātes zinātnieki sadarbībā ar Ilinoisas Universitātes pētniekiem. identificēt četrus šādus gēnus kukurūzā un paraugaugā Arabidopsis.
Kad dīgstoša sēkla tiek pagriezta uz sāniem, dažas saknes veic pēkšņu, stāvu pagriezienu gravitācijas virzienā, bet citas pagriež daļu lēnāk. Pētnieki izmantoja mašīnas redzes metodes, lai novērotu smalkas atšķirības sakņu gravitropismā tūkstošiem stādu, un apvienoja šos datus ar ģenētisko informāciju par katru stādu. Rezultāts kartēja iespējamās gravitropisma gēnu pozīcijas genomā.
Karte nogādāja pētniekus pareizajā genoma apkārtnē — dažu simtu gēnu reģionos —, taču viņiem joprojām bija tālu no konkrētu gravitropisma gēnu identificēšanas. Par laimi, viņiem bija rīks, kas varēja palīdzēt.
"Tā kā mēs iepriekš bijām veikuši to pašu eksperimentu ar tālu radniecīgo Arabidopsis augu, mēs varējām saskaņot gēnus attiecīgajos genoma reģionos abās sugās. Turpmākie testi apstiprināja četru gēnu identitāti, kas modificē sakņu gravitropismu. Jaunā informācija varētu palīdzēt mums saprast, kā gravitācija veido sakņu sistēmas arhitektūru,” saka Edgars Spaldings, Viskonsinas Universitātes Botānikas katedras profesors un pētījuma galvenais autors.
Mets Hadsons, Ilinoisas Universitātes Augkopības zinātņu nodaļas profesors un pētījuma līdzautors, piebilst: "Mēs apskatījām nepietiekami izpētītu kukurūzas iezīmi, kas ir svarīga vairāku iemeslu dēļ, jo īpaši klimata pārmaiņu kontekstā. . Un mēs to izdarījām, liekot evolūcijas atšķirībām starp augiem darboties mūsu labā.
Kukurūza un Arabidopsis, mazs sinepju radinieks, ko izsmeļoši aprakstījuši augu biologi, evolūcijas vēsturē attīstījās ar aptuveni 150 miljonu gadu intervālu. Hadsons skaidro, ka, lai gan abām sugām ir kopīgas augu pamatfunkcijas, tās kontrolējošie gēni laika gaitā, visticamāk, ir bijuši sajaukti genomā. Izrādās, ka tā ir laba lieta, lai sašaurinātu parastos gēnus.
Cieši radniecīgās sugās gēni mēdz ierindoties aptuveni tādā pašā secībā genomā (piemēram, ABCDEF). Lai gan vieni un tie paši gēni var pastāvēt tālu radniecīgās sugās, gēnu secība reģionā, kurā iezīmējas, neatbilst (piemēram, UGRBZ). Pēc tam, kad pētnieki noskaidroja, kur meklēt katrā genomā, citādi nesakritīgās gēnu sekvences lika izplatītajiem gēniem (šajā gadījumā B) parādīties.
"Man likās, ka ir ļoti forši, ka mēs varētu identificēt gēnus, kurus mēs citādi nebūtu atraduši, tikai salīdzinot genoma intervālus nesaistītās augu sugās," saka Hadsons. "Mēs bijām diezgan pārliecināti, ka tie ir īstie gēni, kad tie parādījās tieši no šīs analīzes, bet pēc tam Spaldinga grupa pavadīja vēl septiņus vai astoņus gadus, lai iegūtu stabilus bioloģiskos datus, lai pārbaudītu, vai tie patiešām spēlē lomu gravitropismā. Pēc tam es domāju, ka esam apstiprinājuši visu pieeju tā, lai nākotnē jūs varētu izmantot šo metodi daudziem dažādiem fenotipiem.
Spaldings atzīmē, ka metode, iespējams, bija īpaši veiksmīga, jo precīzi mērījumi tika veikti kopējā vidē.
"Bieži vien kukurūzas pētnieki novērtē savas interesējošās iezīmes laukā, turpretim Arabidopsis pētnieki mēdz audzēt savus augus augšanas kamerās," viņš saka. "Mēs ļoti kontrolētā veidā izmērījām saknes gravitropisma fenotipu. Šīs sēklas tika audzētas uz Petri plāksnes, un tests ilga tikai stundas, atšķirībā no īpašībām, kuras jūs varētu izmērīt reālajā pasaulē un kuras ir atvērtas visdažādākajām atšķirībām.
Pat tad, ja pazīmes var izmērīt kopējā vidē, ne visas pazīmes ir piemērotas šai metodei. Pētnieki uzsver, ka attiecīgajām iezīmēm vajadzētu būt augu pamatfunkcijas pamatā, nodrošinot, ka nesaistītās sugās pastāv tie paši senie gēni.
"Gravitropisms var būt īpaši piemērots pētīšanai, izmantojot šo pieeju, jo tas būtu bijis galvenais dzinumu un sakņu sākotnējās specializācijas atslēga pēc veiksmīgas zemes kolonizācijas," saka Spaldings.
Hadsons atzīmē, ka gravitropisms būs atslēga arī citas ainavas kolonizācijā.
"NASA interesējas par kultūraugu audzēšanu uz citām planētām vai kosmosā, un viņiem ir jāzina, kas jums būtu jāaudzē, lai to izdarītu," viņš saka. "Augi ir diezgan izjaukti bez gravitācijas."
Raksts “Kukurūzas un Arabidopsis QTL ortoloģijas izmantošana, lai identificētu gēnus, kas ietekmē gravitropisma dabiskās variācijas” ir publicēts Procesu Nacionālās Zinātņu akadēmijas [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Pētījumu finansēja Nacionālais zinātnes fonds.
Augkopības zinātņu nodaļa atrodas Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign Lauksaimniecības, patērētāju un vides zinātņu koledžā.
Avots: https://www.sciencedaily.com