Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Det som händer under jorden i ett majsfält är lätt att förbise, men majsrotsarkitektur kan spela en viktig roll i vatten- och näringsinsamlingen, vilket påverkar torktolerans, vattenanvändningseffektivitet och hållbarhet. Om uppfödare kunde uppmuntra majsrötter att växa ner i en brantare vinkel, skulle grödan potentiellt kunna komma åt viktiga resurser djupare i jorden.
Ett första steg mot det målet är att lära sig generna som är involverade i gravitropism, rottillväxt som svar på gravitationen. I en ny studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , University of Wisconsin scientists, i samarbete med forskare vid University of Illinois. identifiera fyra sådana gener i majs och modellväxten Arabidopsis.
När ett groende frö vänds på sidan gör vissa rötter en plötslig, brant sväng mot gravitationen, medan andra vänder sig en bråkdel långsammare. Forskarna använde maskinseendemetoder för att observera subtila skillnader i rotgravitropism hos tusentals plantor och kombinerade dessa data med genetisk information för varje planta. Resultatet kartlade de sannolika positionerna för gravitropismgener i genomet.
Kartan fick forskarna till rätt grannskap i genomet – regioner med några hundra gener – men de var fortfarande långt ifrån att identifiera specifika gener för gravitropism. Lyckligtvis hade de ett verktyg som kunde hjälpa.
"Eftersom vi tidigare hade utfört samma experiment med den avlägset besläktade Arabidopsis-växten kunde vi matcha gener inom de relevanta regionerna av genomet hos båda arterna. Uppföljningstester verifierade identiteten av fyra gener som modifierar rotgravitropism. Den nya information kan hjälpa oss att förstå hur gravitationen formar rotsystemsarkitekturer", säger Edgar Spalding, professor vid institutionen för botanik vid University of Wisconsin och huvudförfattare till studien.
Matt Hudson, professor vid institutionen för växtvetenskaper vid University of Illinois och medförfattare till studien, tillägger:"Vi tittade på en underforskad egenskap hos majs som är viktig av ett antal skäl, särskilt i samband med klimatförändringar Och vi gjorde det genom att få de evolutionära skillnaderna mellan växter att fungera till vår fördel."
Majs och Arabidopsis, en liten senapssläkting som uttömmande beskrivs av växtbiologer, utvecklades med cirka 150 miljoner års mellanrum i evolutionens historia. Hudson förklarar att även om båda arterna delar grundläggande växtfunktioner, har generna som kontrollerar dem sannolikt blivit blandade i genomet över tiden. Det visar sig vara en bra sak för att begränsa vanliga gener.
Hos närbesläktade arter tenderar gener att rada upp sig i ungefär samma ordning i genomet (t.ex. ABCDEF). Även om samma gener kan existera i avlägset besläktade arter, stämmer inte ordningen av gener i regionen som egenskapen kartläggs till (t.ex. UGRBZ). Efter att forskarna identifierat var de skulle leta i varje genom, gjorde de annars felaktiga gensekvenserna de vanliga generna (i det här fallet B) att poppa ut.
"Jag tyckte att det var supercoolt att vi kunde identifiera gener som vi inte skulle ha hittat annars bara genom att jämföra genomiska intervall i obesläktade växtarter," säger Hudson. "Vi var ganska säkra på att de var de rätta generna när de dök upp direkt ur den här analysen, men Spaldings grupp tillbringade sedan sju eller åtta år till med att få solida biologiska data för att verifiera att de verkligen spelar en roll i gravitropism. Efter att ha gjort det, Jag tror att vi har validerat hela tillvägagångssättet så att du i framtiden kan använda den här metoden för många olika fenotyper."
Spalding konstaterar att metoden förmodligen var särskilt framgångsrik eftersom exakta mätningar gjordes i en gemensam miljö.
"Ofta kommer majsforskare att mäta sina egenskaper av intresse i ett fält, medan Arabidopsis-forskare tenderar att föda upp sina växter i växtkammare", säger han. "Vi mätte rotgravitropism-fenotypen på ett mycket kontrollerat sätt. Dessa frön odlades på en petriplatta och analysen varade bara timmar, i motsats till egenskaper man kan mäta i den verkliga världen som är öppna för alla möjliga variationer."
Även när egenskaper kan mätas i en gemensam miljö är inte alla egenskaper bra kandidater för denna metod. Forskarna betonar att egenskaperna i fråga bör vara grundläggande för grundläggande växtfunktioner, vilket säkerställer att samma uråldriga gener finns i obesläktade arter.
"Gravitropism kan vara särskilt mottaglig att studera genom detta tillvägagångssätt eftersom det skulle ha varit nyckeln till den ursprungliga specialiseringen av skott och rötter efter den framgångsrika koloniseringen av mark," säger Spalding.
Hudson noterar att gravitropism också kommer att vara nyckeln till kolonisering av ett annat landskap.
"NASA är intresserade av att odla grödor på andra planeter eller i rymden och de behöver veta vad du måste odla för att göra det", säger han. "Växter är ganska discombobulated utan gravitation." + Utforska vidare
