Ono što se događa pod zemljom u polju kukuruza lako je previdjeti, ali arhitektura korijena kukuruza može igrati važnu ulogu u prikupljanju vode i hranjivih tvari, utječući na toleranciju na sušu, učinkovitost korištenja vode i održivost. Kad bi uzgajivači mogli potaknuti korijenje kukuruza da raste prema dolje pod većim kutom, usjev bi potencijalno mogao pristupiti važnim resursima dublje u tlu.
Prvi korak prema tom cilju je učenje gena uključenih u gravitropizam, rast korijena kao odgovor na gravitaciju. U novoj studiji objavljenoj u Zbornik National Academy of Sciences, znanstvenici Sveučilišta Wisconsin, u suradnji s istraživačima sa Sveučilišta Illinois. identificirati četiri takva gena u kukuruzu i modelnoj biljci Arabidopsis.
Kada se sjeme koje klija okrene na bok, neki korijeni naprave nagli, strmi zaokret prema gravitaciji, dok se drugi okreću malo sporije. Istraživači su koristili metode strojnog vida kako bi uočili suptilne razlike u gravitropizmu korijena u tisućama sadnica i kombinirali te podatke s genetskim informacijama za svaku sadnicu. Rezultat je mapirao vjerojatne položaje gena gravitropizma u genomu.
Karta je dovela istraživače do pravog susjedstva u genomu - regija od nekoliko stotina gena - ali još su bili daleko od identificiranja specifičnih gena za gravitropizam. Srećom, imali su alat koji je mogao pomoći.
“Budući da smo prethodno izveli isti eksperiment s daleko srodnom biljkom Arabidopsis, uspjeli smo uskladiti gene unutar relevantnih regija genoma u obje vrste. Naknadni testovi potvrdili su identitet četiri gena koji modificiraju gravitropizam korijena. Nove informacije mogle bi nam pomoći da shvatimo kako gravitacija oblikuje arhitekturu korijenskog sustava,” kaže Edgar Spalding, profesor na Odjelu za botaniku na Sveučilištu Wisconsin i glavni autor studije.
Matt Hudson, profesor na Odsjeku za biljne znanosti na Sveučilištu Illinois i koautor studije, dodaje: „Promatrali smo nedovoljno istraženo svojstvo kukuruza koje je važno iz više razloga, posebno u kontekstu klimatskih promjena . I uspjeli smo to tako što smo učinili da evolucijske razlike između biljaka idu u našu korist.”
Kukuruz i Arabidopsis, mali srodnik gorušice kojeg iscrpno opisuju biljni biolozi, razvili su se u evolucijskoj povijesti u razmaku od oko 150 milijuna godina. Hudson objašnjava da iako obje vrste dijele osnovne biljne funkcije, geni koji ih kontroliraju vjerojatno su tijekom vremena bili pomiješani unutar genoma. Ispostavilo se da je to dobra stvar za sužavanje zajedničkih gena.
Kod blisko povezanih vrsta, geni imaju tendenciju poredanja približno istim redoslijedom u genomu (npr. ABCDEF). Iako bi isti geni mogli postojati u daleko srodnim vrstama, redoslijed gena u regiji na koju se svojstvo preslikava ne odgovara (npr. UGRBZ). Nakon što su istraživači identificirali gdje tražiti u svakom genomu, inače neusklađene sekvence gena učinile su da uobičajeni geni (u ovom slučaju B) iskoče.
"Mislio sam da je super što možemo identificirati gene koje inače ne bismo pronašli samo usporedbom genomskih intervala u nepovezanim biljnim vrstama", kaže Hudson. “Bili smo prilično uvjereni da su to pravi geni kad su iskočili iz ove analize, ali Spaldingova grupa je potom provela još sedam ili osam godina prikupljajući čvrste biološke podatke kako bi potvrdili da oni doista igraju ulogu u gravitropizmu. Učinivši to, mislim da smo potvrdili cijeli pristup tako da u budućnosti možete koristiti ovu metodu za mnoge različite fenotipove.”
Spalding napominje da je metoda vjerojatno bila osobito uspješna jer su precizna mjerenja vršena u zajedničkom okruženju.
"Često će istraživači kukuruza mjeriti svoje značajke od interesa na polju, dok istraživači Arabidopsisa imaju tendenciju uzgajati svoje biljke u komorama za rast", kaže on. “Mjerili smo fenotip gravitropizma korijena na vrlo kontroliran način. Ove sjemenke su uzgojene na Petrijevoj ploči, a test je trajao samo nekoliko sati, za razliku od osobina koje možete mjeriti u stvarnom svijetu, a koje su otvorene svim vrstama varijabilnosti.”
Čak i kada se osobine mogu mjeriti u uobičajenom okruženju, nisu sve osobine dobri kandidati za ovu metodu. Istraživači naglašavaju da bi osobine o kojima je riječ trebale biti temeljne za osnovnu funkciju biljaka, osiguravajući postojanje istih drevnih gena u nepovezanim vrstama.
"Gravitropizam bi mogao biti posebno podložan proučavanju kroz ovaj pristup jer bi bio ključan za izvornu specijalizaciju izdanaka i korijena nakon uspješne kolonizacije tla", kaže Spalding.
Hudson napominje da će gravitropizam također biti ključan za kolonizaciju drugačijeg krajolika.
"NASA je zainteresirana za uzgoj usjeva na drugim planetima ili u svemiru i moraju znati za što biste se morali uzgajati da biste to učinili", kaže on. “Biljke su prilično zbunjene bez gravitacije.”
Članak, "Upotreba ortologije unutar kukuruza i Arabidopsis QTL za identifikaciju gena koji utječu na prirodne varijacije u gravitropizmu," objavljen je u Zbornik National Academy of Sciences [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Istraživanje je financirala Nacionalna zaklada za znanost.
Odjel za biljne znanosti nalazi se na Fakultetu za poljoprivredne, potrošačke i okolišne znanosti na Sveučilištu Illinois Urbana-Champaign.
Izvor: https://www.sciencedaily.com