Kar se dogaja pod zemljo na koruznem polju, je enostavno spregledati, vendar ima lahko arhitektura koruznih korenin pomembno vlogo pri pridobivanju vode in hranil, kar vpliva na odpornost na sušo, učinkovitost rabe vode in trajnost. Če bi rejci lahko spodbudili korenine koruze, da rastejo navzdol pod strmejšim kotom, bi pridelek lahko dostopal do pomembnih virov globlje v tleh.
Prvi korak k temu cilju je učenje genov, vključenih v gravitropizem, rast korenin kot odziv na gravitacijo. V novi študiji, objavljeni v Zbornik National Academy of Sciences, znanstveniki Univerze v Wisconsinu v sodelovanju z raziskovalci na Univerzi v Illinoisu. identificirati štiri take gene v koruzi in modelni rastlini Arabidopsis.
Ko kaleče seme obrnemo na bok, se nekatere korenine nenadoma, strmo obrnejo proti gravitaciji, medtem ko se druge obrnejo za delček počasneje. Raziskovalci so uporabili metode strojnega vida za opazovanje subtilnih razlik v gravitropizmu korenin na tisoče sadik in združili te podatke z genetskimi informacijami za vsako sadiko. Rezultat je preslikal verjetne položaje genov gravitropizma v genomu.
Zemljevid je raziskovalce pripeljal do prave soseske v genomu - regije nekaj sto genov - vendar so bili še vedno daleč od identifikacije specifičnih genov za gravitropizem. Na srečo so imeli orodje, ki bi lahko pomagalo.
»Ker smo pred tem izvedli isti poskus z daljno sorodno rastlino Arabidopsis, smo lahko ujemali gene v ustreznih regijah genoma pri obeh vrstah. Nadaljnji testi so potrdili identiteto štirih genov, ki spreminjajo koreninski gravitropizem. Nove informacije bi nam lahko pomagale razumeti, kako gravitacija oblikuje arhitekture koreninskega sistema,« pravi Edgar Spalding, profesor na Oddelku za botaniko na Univerzi v Wisconsinu in glavni avtor študije.
Matt Hudson, profesor na Oddelku za rastlinske znanosti na Univerzi v Illinoisu in soavtor študije, dodaja: »Ogledali smo si premalo raziskano lastnost koruze, ki je pomembna iz več razlogov, zlasti v kontekstu podnebnih sprememb. . In to nam je uspelo tako, da so evolucijske razlike med rastlinami delovale v našo korist.«
Koruza in Arabidopsis, majhna sorodnika gorčice, ki so ju izčrpno opisali rastlinski biologi, sta se v evolucijski zgodovini razvila približno 150 milijonov let narazen. Hudson pojasnjuje, da čeprav si obe vrsti delita osnovne rastlinske funkcije, so se geni, ki ju nadzorujejo, sčasoma verjetno pomešali v genomu. Izkazalo se je, da je to dobra stvar za zoženje skupnih genov.
Pri sorodnih vrstah se geni v genomu vrstijo v približno enakem vrstnem redu (npr. ABCDEF). Čeprav lahko isti geni obstajajo v daljno sorodnih vrstah, se vrstni red genov v regiji, na katero se lastnost preslika, ne ujema (npr. UGRBZ). Potem ko so raziskovalci ugotovili, kje iskati v posameznem genomu, so zaradi sicer neusklajenih genskih sekvenc izstopili skupni geni (v tem primeru B).
»Zdelo se mi je super, da lahko identificiramo gene, ki jih drugače ne bi našli, samo s primerjavo genomskih intervalov v nepovezanih rastlinskih vrstah,« pravi Hudson. »Bili smo precej prepričani, da so pravi geni, ko so izstopili takoj iz te analize, vendar je Spaldingova skupina nato še sedem ali osem let pridobivala trdne biološke podatke, da bi potrdila, da res igrajo vlogo pri gravitropizmu. Ko smo to naredili, mislim, da smo potrdili celoten pristop, tako da bi lahko v prihodnosti to metodo uporabili za številne različne fenotipe.«
Spalding ugotavlja, da je bila metoda verjetno še posebej uspešna, ker so bile natančne meritve opravljene v skupnem okolju.
»Raziskovalci koruze pogosto merijo svoje zanimive lastnosti na polju, medtem ko raziskovalci Arabidopsis svoje rastline gojijo v rastnih komorah,« pravi. »Fenotip koreninskega gravitropizma smo izmerili na zelo nadzorovan način. Ta semena so bila vzgojena na petrijevi plošči in test je trajal le nekaj ur, v nasprotju z lastnostmi, ki jih lahko merite v resničnem svetu in so odprte za vse vrste variabilnosti.
Tudi če je mogoče lastnosti izmeriti v običajnem okolju, niso vse lastnosti dobri kandidati za to metodo. Raziskovalci poudarjajo, da bi morale biti zadevne lastnosti temeljne za osnovno delovanje rastline, kar zagotavlja, da isti starodavni geni obstajajo v nepovezanih vrstah.
"Gravitropizem je morda še posebej primeren za preučevanje s tem pristopom, ker bi bil ključen za prvotno specializacijo poganjkov in korenin po uspešni kolonizaciji zemlje, " pravi Spalding.
Hudson ugotavlja, da bo gravitropizem ključen tudi za kolonizacijo drugačne pokrajine.
»NASA se zanima za gojenje pridelkov na drugih planetih ali v vesolju in vedeti mora, za kaj bi morali gojiti, da bi to dosegli,« pravi. "Rastline so brez gravitacije precej zmedene."
Članek »Uporaba ortologije znotraj QTL koruze in Arabidopsis za identifikacijo genov, ki vplivajo na naravno variacijo gravitropizma« je objavljen v Zbornik National Academy of Sciences [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Raziskavo je financirala Nacionalna znanstvena fundacija.
Oddelek za rastlinske vede je na Visoki šoli za kmetijske, potrošniške in okoljske vede na Univerzi Illinois Urbana-Champaign.