En internationell studie ledd av universitetet i Bonn har nu visat växtens rotsystems viktiga roll i majs, en gröda som kan växa framgångsrikt under mycket olika lokala förhållanden.
För studien analyserade forskarna mer än 9 000 sorter och kunde visa att deras rötter varierade avsevärt – beroende på hur torr platsen är där varje sort odlades.
De kunde också identifiera en viktig gen som spelar en roll för växtens förmåga att anpassa sig. Denna gen kan vara nyckeln till att utveckla majssorter som klarar klimatförändringarna bättre.
Dessa resultat publicerades nyligen i Nature Genetics .
Det är en buskig växt med mycket grenade stjälkar. Fingerlånga öron växer från axlarna på sina långsträckta blad och vart och ett av dem består av ett dussin stenhårda frön. Man måste titta mycket noga för att känna igen släktskap med en av världens viktigaste kulturväxter. Och ändå är experter alla överens om att släktet teosinte är urformen för alla moderna majssorter.
Bönder i sydvästra Mexiko började välja avkomma till teosinteväxter som producerade mest spannmål, och de godaste spannmålen, för mer än 9 000 år sedan. Moderna majsgrödor odlades på detta sätt under många generationer, och nu odlas majs över alla kontinenter.
"Vi vet att växternas utseende förändrades avsevärt under den här tiden och till exempel har kolvarna blivit mycket större och mer produktiva", förklarar Prof. Dr. Frank Hochholdinger från Institutet för växtvetenskap och resursbevarande (INRES) vid universitetet i Bonn.
"Hittills har dock relativt lite varit känt om hur rotsystemet utvecklades under denna period av domesticering och efteråt."
Rötter i papperscigarrer
Detta har nu ändrats tack vare den nya studien. Under de senaste åtta åren har de deltagande forskargrupperna undersökt cirka 9 000 sorter av majs och 170 sorter av teosinte runt om i världen. Forskarna samlade in frön och placerade dem på speciellt brunt papper, som sedan rullades till en cigarrform och förvarades upprätt i smala glasbägare.
"Omkring 14 dagar efter groning rullade vi ut papperet så att vi kunde observera den tidiga utvecklingen av rötterna utan störningar av jord som fastnat på dem", säger Hochholdinger.
I samarbete med en forskargrupp ledd av Dr. Robert Koller (Forschungszentrum Jülich) studerade forskarna även rottillväxt i jord. De använde en metod som är mer allmänt känd från medicinområdet för detta ändamål – magnetisk resonanstomografi.
Resultaten visade hur rotstrukturen radikalt har förändrats under domesticeringen av teosinte till odlad majs.
"I majssorterna hittar vi ofta sädesrötter strax efter groning - med så många som 10 eller fler av dessa rötter i vissa sorter", förklarar Dr. Peng Yu, som är chef för en Emmy Noether-forskningsgrupp vid INRES och nyligen har tackade ja till erbjudandet om en professur vid TU München. "Detta är inte fallet med teosinte."
Seminalrötter ger plantorna en initial fördel under optimala förhållanden:De gör det möjligt för dem att absorbera stora mängder näringsämnen från jorden mycket snabbt. "Men vi märkte att en annan typ av rot - sidorötterna - lider som en konsekvens", säger Yu.
Sidorötter är särskilt viktiga för vattenupptaget eftersom de kraftigt förstorar rotytan. Det är förmodligen anledningen till att antalet sädesrötter varierar avsevärt beroende på sort:Majssorter som har anpassat sig till torra förhållanden odlar betydligt färre sädesrötter och fler sidorötter. När man odlade dessa sorter valde bönder tidigare omedvetet ut växter som har lett till utvecklingen av denna rotstruktur.
Forskarna undersökte också vilket genetiskt material som var ansvarigt för tillväxten av sädesrötter och kunde identifiera mer än 160 kandidatgener. "Vi studerade sedan en av dessa gener som heter ZmHb77 mer i detalj", säger Hochholdinger. "Vi märkte att växter med den här genen blev mer sädesinriktade och samtidigt färre sidorötter."
Forskarna stängde medvetet av denna gen i vissa växter och kunde ändra rotstrukturen så att de bättre kunde tolerera perioder av torka. "Den här genen är alltså viktig för att föda upp torktoleranta sorter", förklarar forskaren. "Med tanke på klimatförändringarna kommer dessa sorter att bli allt viktigare om vi vill undvika fler och fler missväxter i framtiden."
Mer information: Peng Yu et al., Anpassning av plantrotsystem till vattentillgänglighet under majs-tämjning och global expansion, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01761-3
Journalinformation: Naturgenetik
Tillhandahålls av University of Bonn
