To, co se děje pod zemí na kukuřičném poli, lze snadno přehlédnout, ale architektura kořenů kukuřice může hrát důležitou roli při získávání vody a živin, což ovlivňuje toleranci vůči suchu, efektivitu využívání vody a udržitelnost. Pokud by šlechtitelé mohli podpořit kořeny kukuřice, aby rostly pod strmějším úhlem, plodina by potenciálně mohla získat přístup k důležitým zdrojům hlouběji v půdě.
Prvním krokem k tomuto cíli je naučit se geny podílející se na gravitropismu, růstu kořenů v reakci na gravitaci. V nové studii publikované v Sborník Národní akademie věd, vědci University of Wisconsin, ve spolupráci s výzkumníky z University of Illinois. identifikovat čtyři takové geny v kukuřici a modelové rostlině Arabidopsis.
Když se klíčící semínko otočí na bok, některé kořeny se náhle, strmě otočí směrem k gravitaci, zatímco jiné se otočí o zlomek pomaleji. Vědci použili metody strojového vidění k pozorování jemných rozdílů v gravitropismu kořenů u tisíců sazenic a kombinovali tato data s genetickou informací pro každou sazenici. Výsledek mapoval pravděpodobné pozice genů gravitropismu v genomu.
Mapa dostala výzkumníky do správného sousedství v genomu – oblastí několika stovek genů – ale byli ještě daleko od identifikace specifických genů pro gravitropismus. Naštěstí měli nástroj, který mohl pomoci.
„Protože jsme předtím provedli stejný experiment se vzdáleně příbuznou rostlinou Arabidopsis, byli jsme schopni porovnat geny v příslušných oblastech genomu u obou druhů. Následné testy ověřily identitu čtyř genů, které modifikují kořenový gravitropismus. Nové informace by nám mohly pomoci pochopit, jak gravitace utváří architektury kořenového systému,“ říká Edgar Spalding, profesor na katedře botaniky na University of Wisconsin a hlavní autor studie.
Matt Hudson, profesor na katedře plodinových věd na University of Illinois a spoluautor studie, dodává: „Podívali jsme se na nedostatečně prozkoumanou vlastnost u kukuřice, která je důležitá z mnoha důvodů, zejména v souvislosti se změnou klimatu. . A udělali jsme to tak, že evoluční rozdíly mezi rostlinami fungovaly v náš prospěch.“
Kukuřice a Arabidopsis, malé příbuzné hořčice vyčerpávajícím způsobem popsané rostlinnými biology, se v evoluční historii vyvinuly asi 150 milionů let od sebe. Hudson vysvětluje, že ačkoli oba druhy sdílejí základní rostlinné funkce, geny, které je ovládají, byly pravděpodobně v průběhu času v genomu neuspořádané. To se ukazuje jako dobrá věc pro zúžení společných genů.
U blízce příbuzných druhů mají geny tendenci se v genomu seřazovat přibližně ve stejném pořadí (např. ABCDEF). Ačkoli stejné geny mohou existovat u vzdáleně příbuzných druhů, pořadí genů v oblasti, do které znak mapuje, se neshoduje (např. UGRBZ). Poté, co vědci identifikovali, kde v každém genomu hledat, jinak neshodné genové sekvence způsobily, že společné geny (v tomto případě B) vyskočily.
„Myslel jsem si, že je super, že můžeme identifikovat geny, které bychom jinak nenašli, pouhým porovnáním genomických intervalů u nepříbuzných rostlinných druhů,“ říká Hudson. "Byli jsme si docela jisti, že jsou to správné geny, když se objevily přímo z této analýzy, ale Spaldingova skupina pak strávila dalších sedm nebo osm let získáváním pevných biologických dat, aby si ověřila, že skutečně hrají roli v gravitropismu." Tím si myslím, že jsme celý přístup ověřili tak, že v budoucnu byste mohli tuto metodu použít pro mnoho různých fenotypů.“
Spalding poznamenává, že metoda byla pravděpodobně obzvláště úspěšná, protože přesná měření byla prováděna ve společném prostředí.
"Výzkumníci kukuřice často měří své vlastnosti na poli, zatímco výzkumníci Arabidopsis mají tendenci pěstovat své rostliny v růstových komorách," říká. „Vysoce kontrolovaným způsobem jsme měřili fenotyp kořenového gravitropismu. Tato semena byla vypěstována na Petriho misce a test trval jen hodiny, na rozdíl od vlastností, které byste mohli měřit v reálném světě a které jsou otevřené všem druhům variabilit.“
I když lze vlastnosti měřit ve společném prostředí, ne všechny vlastnosti jsou vhodnými kandidáty pro tuto metodu. Výzkumníci zdůrazňují, že dotyčné vlastnosti by měly být zásadní pro základní funkci rostliny a zajistit, aby stejné starověké geny existovaly u nepříbuzných druhů.
"Gravitropismus může být zvláště vhodný ke studiu prostřednictvím tohoto přístupu, protože by to bylo klíčové pro původní specializaci výhonků a kořenů po úspěšné kolonizaci půdy," říká Spalding.
Hudson poznamenává, že gravitropismus bude klíčový i pro kolonizaci jiné krajiny.
„NASA se zajímá o pěstování plodin na jiných planetách nebo ve vesmíru a potřebuje vědět, k čemu byste se k tomu museli šlechtit,“ říká. "Rostliny jsou bez gravitace pěkně rozložené."
Článek „Využití ortologie v kukuřici a Arabidopsis QTL k identifikaci genů ovlivňujících přirozené variace gravitropismu“ je publikován v Sborník Národní akademie věd [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Výzkum byl financován National Science Foundation.
Katedra plodinových věd je na Vysoké škole zemědělských, spotřebitelských a environmentálních věd na University of Illinois Urbana-Champaign.
Zdroj: https://www.sciencedaily.com