Hvad får planterødderne til at vokse mod tyngdekraften? Undersøgelse identificerer fire gener

Det, der sker under jorden i en majsmark, er let at overse, men majsrodsarkitektur kan spille en vigtig rolle i vand- og næringsstofopsamling, hvilket påvirker tørketolerance, vandforbrugseffektivitet og bæredygtighed. Hvis opdrættere kunne tilskynde majsrødder til at vokse ned i en stejlere vinkel, kunne afgrøden potentielt få adgang til vigtige ressourcer dybere i jorden.

Et første skridt mod dette mål er at lære generne involveret i gravitropisme, rodvækst som reaktion på tyngdekraften. I en ny undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , University of Wisconsin videnskabsmænd, i samarbejde med forskere ved University of Illinois. identificere fire sådanne gener i majs og modelplanten Arabidopsis.

Når et spirende frø vendes på siden, foretager nogle rødder et pludseligt, stejlt sving mod tyngdekraften, mens andre drejer en brøkdel langsommere. Forskerne brugte maskinsynsmetoder til at observere subtile forskelle i rodgravitropisme i tusindvis af frøplanter og kombinerede disse data med genetisk information for hver frøplante. Resultatet kortlagde de sandsynlige positioner af gravitropismegener i genomet.

Kortet fik forskerne til det rigtige kvarter i genomet - regioner med et par hundrede gener - men de var stadig langt fra at identificere specifikke gener for gravitropisme. Heldigvis havde de et værktøj, der kunne hjælpe.

"Fordi vi tidligere havde udført det samme eksperiment med den fjernt beslægtede Arabidopsis-plante, var vi i stand til at matche gener inden for de relevante regioner af genomet i begge arter. Opfølgningstests bekræftede identiteten af ​​fire gener, der modificerer rodgravitropisme. Den nye information kunne hjælpe os med at forstå, hvordan tyngdekraften former rodsystemarkitekturer," siger Edgar Spalding, professor ved Institut for Botanik ved University of Wisconsin og hovedforfatter af undersøgelsen.

Matt Hudson, professor i afdelingen for afgrødevidenskab ved University of Illinois og medforfatter af studiet, tilføjer:"Vi har set på en underforsket egenskab i majs, der er vigtig af en række årsager, især i forbindelse med klimaændringer Og vi gjorde det ved at få de evolutionære forskelle mellem planter til at virke til vores fordel."

Majs og Arabidopsis, en lille sennepsslægtning, der er udtømmende beskrevet af plantebiologer, udviklede sig omkring 150 millioner år fra hinanden i evolutionens historie. Hudson forklarer, at selvom begge arter deler grundlæggende plantefunktioner, er generne, der kontrollerer dem, sandsynligvis blevet blandet i genomet over tid. Det viser sig at være en god ting til at indsnævre almindelige gener.

Hos nært beslægtede arter har generne tendens til at stille sig op i nogenlunde samme rækkefølge i genomet (f.eks. ABCDEF). Selvom de samme gener muligvis eksisterer i fjernt beslægtede arter, stemmer rækkefølgen af ​​gener i regionen, som egenskaben er kortlagt til, ikke overens (f.eks. UGRBZ). Efter at forskerne havde identificeret, hvor de skulle kigge i hvert genom, fik de ellers mismatchede gensekvenser de almindelige gener (i dette tilfælde B) til at springe ud.

"Jeg syntes, det var super fedt, at vi kunne identificere gener, som vi ellers ikke ville have fundet, bare ved at sammenligne genomiske intervaller i ubeslægtede plantearter," siger Hudson. "Vi var ret sikre på, at de var de rigtige gener, da de dukkede ud af denne analyse, men Spaldings gruppe brugte derefter syv eller otte år mere på at få solide biologiske data for at bekræfte, at de faktisk spiller en rolle i gravitropisme. Efter at have gjort det, Jeg tror, ​​vi har valideret hele tilgangen, så du i fremtiden kan bruge denne metode til mange forskellige fænotyper."

Spalding bemærker, at metoden sandsynligvis var særlig vellykket, fordi der blev foretaget præcise målinger i et fælles miljø.

"Ofte vil majsforskere måle deres interessetræk i en mark, hvorimod Arabidopsis-forskere har en tendens til at opdrætte deres planter i vækstkamre," siger han. "Vi målte rodgravitropisme-fænotypen på en meget kontrolleret måde. Disse frø blev dyrket på en petri-plade, og analysen varede kun timer, i modsætning til egenskaber, man kan måle i den virkelige verden, som er åbne for alle mulige variationer."

Selv når egenskaber kan måles i et fælles miljø, er ikke alle egenskaber gode kandidater til denne metode. Forskerne understreger, at de pågældende egenskaber skal være fundamentale for den grundlæggende plantefunktion og sikre, at de samme gamle gener findes i ubeslægtede arter.

"Gravitropisme kan være særligt egnet til at studere gennem denne tilgang, fordi det ville have været nøglen til den oprindelige specialisering af skud og rødder efter den vellykkede kolonisering af jord," siger Spalding.

Hudson bemærker, at gravitropisme også vil være nøglen til kolonisering af et andet landskab.

"NASA er interesseret i at dyrke afgrøder på andre planeter eller i rummet, og de har brug for at vide, hvad du skal avle for at gøre det," siger han. "Planter er ret discombobulerede uden tyngdekraft." + Udforsk yderligere

Transporterprotein regulerer rodgravitropisme i Arabidopsis