Те, що відбувається під землею на кукурудзяному полі, легко не помітити, але архітектура кореня кукурудзи може відігравати важливу роль у отриманні води та поживних речовин, впливаючи на стійкість до посухи, ефективність використання води та сталість. Якби селекціонери могли заохотити коріння кукурудзи рости вниз під крутішим кутом, урожай потенційно міг би отримати доступ до важливих ресурсів глибше в ґрунті.
Першим кроком до цієї мети є вивчення генів, залучених до гравітропізму, росту коренів у відповідь на силу тяжіння. У новому дослідженні, опублікованому в Праці Національної академії наук, вчені Університету Вісконсіна у співпраці з дослідниками з Університету Іллінойсу. ідентифікувати чотири таких гени в кукурудзі та модельній рослині Arabidopsis.
Коли насіння, що проростає, повертається на бік, деякі корінці роблять раптовий крутий поворот до сили тяжіння, а інші повертаються трохи повільніше. Дослідники використовували методи машинного зору, щоб спостерігати тонкі відмінності в кореневому гравітропізмі в тисячах саджанців і поєднали ці дані з генетичною інформацією для кожного саджанця. Результат відобразив ймовірні позиції генів гравітропізму в геномі.
Карта показала дослідникам потрібне сусідство в геномі — регіони з кількома сотнями генів, — але вони були ще далекі від визначення конкретних генів гравітропізму. На щастя, у них був інструмент, який міг допомогти.
«Оскільки ми раніше проводили той самий експеримент із віддалено спорідненою рослиною Arabidopsis, ми змогли зіставити гени у відповідних областях геному обох видів. Подальші тести підтвердили ідентичність чотирьох генів, які змінюють гравітропізм коренів. Нова інформація може допомогти нам зрозуміти, як гравітація формує архітектуру кореневої системи», — каже Едгар Сполдінг, професор кафедри ботаніки Університету Вісконсіна та провідний автор дослідження.
Метт Хадсон, професор Департаменту рослинництва Університету Іллінойсу та співавтор дослідження, додає: «Ми розглянули недостатньо досліджену властивість кукурудзи, яка є важливою з кількох причин, особливо в контексті зміни клімату. . І ми зробили це, змусивши еволюційні відмінності між рослинами працювати нам на користь».
Кукурудза та Arabidopsis, невеликий родич гірчиці, вичерпно описаний рослинними біологами, еволюціонували приблизно через 150 мільйонів років один від одного в еволюційній історії. Хадсон пояснює, що хоча обидва види мають спільні основні функції рослин, гени, які їх контролюють, з часом, ймовірно, переплуталися в геномі. Виявляється, це добре для звуження загальних генів.
У близькоспоріднених видів гени мають тенденцію розташовуватися в геномі приблизно в однаковому порядку (наприклад, ABCDEF). Незважаючи на те, що ті самі гени можуть існувати у віддалено споріднених видів, порядок генів у регіоні, на який відображається ознака, не збігається (наприклад, UGRBZ). Після того, як дослідники визначили, де шукати в кожному геномі, невідповідні послідовності генів змусили загальні гени (у цьому випадку B) вискочити.
«Я подумав, що це надзвичайно круто, що ми можемо ідентифікувати гени, які б інакше не знайшли, просто порівнюючи геномні інтервали в неспоріднених видах рослин», — каже Хадсон. «Ми були досить впевнені, що це правильні гени, коли вони вискочили прямо з цього аналізу, але група Сполдінга потім витратила сім або вісім років на отримання надійних біологічних даних, щоб підтвердити, що вони справді відіграють роль у гравітропізмі. Зробивши це, я думаю, ми перевірили весь підхід таким чином, що в майбутньому ви можете використовувати цей метод для багатьох різних фенотипів».
Сполдінг зазначає, що метод, ймовірно, був особливо успішним, оскільки точні вимірювання проводилися в звичайному середовищі.
«Часто дослідники кукурудзи вимірюватимуть цікаві риси на полі, тоді як дослідники арабідопсису, як правило, вирощують свої рослини в камерах для вирощування», — каже він. «Ми виміряли фенотип кореневого гравітропізму дуже контрольованим способом. Це насіння було вирощено на чашці Петрі, і аналіз тривав лише години, на відміну від ознак, які ви можете виміряти в реальному світі, які відкриті для всіх видів варіацій».
Навіть якщо риси можна виміряти в звичайному середовищі, не всі риси є хорошими кандидатами для цього методу. Дослідники підкреслюють, що ознаки, про які йде мова, повинні бути основоположними для основної функції рослин, гарантуючи існування тих самих стародавніх генів у неспоріднених видів.
«Гравітропізм може бути особливо піддатливим для вивчення за допомогою цього підходу, оскільки він був би ключовим для первісної спеціалізації пагонів і коренів після успішної колонізації землі», — говорить Сполдінг.
Хадсон зазначає, що гравітропізм також буде ключем до колонізації іншого ландшафту.
«NASA зацікавлене у вирощуванні зернових культур на інших планетах або в космосі, і вони повинні знати, для чого вам потрібно розводити, щоб це зробити», — каже він. «Рослини досить заплутані без сили тяжіння».
Стаття «Використання ортології QTL кукурудзи та Arabidopsis для ідентифікації генів, що впливають на природні варіації гравітропізму» опублікована в Праці Національної академії наук [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Дослідження фінансувалося Національним науковим фондом.
Відділ рослинництва знаходиться в Коледжі сільськогосподарських, споживчих і екологічних наук Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн.
Джерело: https://www.sciencedaily.com