То, что происходит под землей на кукурузном поле, легко не заметить, но архитектура корней кукурузы может играть важную роль в поглощении воды и питательных веществ, влияя на устойчивость к засухе, эффективность использования воды и устойчивость. Если бы селекционеры могли заставить корни кукурузы расти под более крутым углом, культура потенциально могла бы получить доступ к важным ресурсам, находящимся глубже в почве.
Первым шагом к этой цели является изучение генов, участвующих в гравитропизме, росте корней в ответ на гравитацию. В новом исследовании, опубликованном в Труды Национальной академии наук, ученые Университета Висконсина в сотрудничестве с исследователями из Университета Иллинойса. определить четыре таких гена у кукурузы и модельного растения Arabidopsis.
Когда прорастающее семя переворачивают на бок, некоторые корни делают внезапный крутой поворот под действием силы тяжести, в то время как другие поворачиваются немного медленнее. Исследователи использовали методы машинного зрения, чтобы наблюдать тонкие различия в гравитропизме корней у тысяч саженцев, и объединили эти данные с генетической информацией для каждого саженца. В результате были выявлены вероятные положения генов гравитропизма в геноме.
Карта привела исследователей к нужному району генома — участкам из нескольких сотен генов — но они все еще были далеки от определения конкретных генов гравитропизма. К счастью, у них был инструмент, который мог помочь.
«Поскольку мы ранее проводили такой же эксперимент с дальним родственником арабидопсиса, мы смогли сопоставить гены в соответствующих областях генома у обоих видов. Последующие тесты подтвердили идентичность четырех генов, которые модифицируют корневой гравитропизм. Новая информация может помочь нам понять, как гравитация формирует архитектуру корневой системы», — говорит Эдгар Сполдинг, профессор кафедры ботаники Висконсинского университета и ведущий автор исследования.
Мэтт Хадсон, профессор кафедры растениеводства Университета штата Иллинойс и соавтор исследования, добавляет: «Мы рассмотрели недостаточно изученную особенность кукурузы, которая важна по ряду причин, особенно в контексте изменения климата. . И мы сделали это, заставив эволюционные различия между растениями работать в нашу пользу».
Кукуруза и арабидопсис, маленький родственник горчицы, исчерпывающе описанный биологами растений, эволюционировали с разницей в 150 миллионов лет в истории эволюции. Хадсон объясняет, что хотя оба вида имеют общие основные функции растений, гены, контролирующие их, вероятно, со временем перемешались в геноме. Оказывается, это хорошо для сужения общих генов.
У близкородственных видов гены имеют тенденцию выстраиваться в геноме примерно в одном и том же порядке (например, ABCDEF). Хотя одни и те же гены могут существовать у отдаленно родственных видов, порядок генов в области, с которой картируется признак, не совпадает (например, UGRBZ). После того, как исследователи определили, где искать в каждом геноме, несовпадающие последовательности генов привели к тому, что общие гены (в данном случае B) выскочили наружу.
«Я подумал, что это очень круто, что мы можем идентифицировать гены, которые иначе не обнаружили бы, просто сравнивая геномные интервалы у неродственных видов растений», — говорит Хадсон. «Мы были вполне уверены, что это были правильные гены, когда они выскочили прямо из этого анализа, но затем группа Сполдинга провела еще семь или восемь лет, собирая надежные биологические данные, чтобы подтвердить, что они действительно играют роль в гравитропизме. Сделав это, я думаю, мы утвердили весь подход, чтобы в будущем вы могли использовать этот метод для многих различных фенотипов».
Сполдинг отмечает, что этот метод, вероятно, был особенно успешным, потому что точные измерения проводились в обычной среде.
«Часто исследователи кукурузы измеряют интересующие их признаки в поле, в то время как исследователи арабидопсиса, как правило, выращивают свои растения в камерах для выращивания», — говорит он. «Мы измерили корневой фенотип гравитропизма строго контролируемым способом. Эти семена были выращены на чашке Петри, и анализ длился всего несколько часов, в отличие от признаков, которые вы могли бы измерить в реальном мире и которые открыты для всех видов изменчивости».
Даже когда признаки могут быть измерены в обычной среде, не все признаки являются хорошими кандидатами для этого метода. Исследователи подчеркивают, что рассматриваемые признаки должны быть фундаментальными для основных функций растений, обеспечивая существование одних и тех же древних генов у неродственных видов.
«Гравитропизм может быть особенно подходящим для изучения с помощью этого подхода, потому что он был бы ключом к первоначальной специализации побегов и корней после успешной колонизации земли», — говорит Сполдинг.
Хадсон отмечает, что гравитропизм также будет ключом к колонизации другого ландшафта.
«НАСА заинтересовано в выращивании сельскохозяйственных культур на других планетах или в космосе, и им нужно знать, что для этого нужно разводить», — говорит он. «Растения довольно беспорядочны без гравитации».
Статья «Использование ортологии QTL кукурузы и арабидопсиса для идентификации генов, влияющих на естественные вариации гравитропизма», опубликована в Труды Национальной академии наук [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Исследование финансировалось Национальным научным фондом.
Департамент растениеводства находится в Колледже сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Источник: https://www.sciencedaily.com