Ett team som leds av Purdue Universitys sojaböngenetiker Jianxin Ma har utvecklat ett nytt biotekniskt verktyg för domesticering av önskvärda egenskaper från vilda sojabönor, såsom resistens mot skadedjur från bladhoppare. Användningen av sådana verktyg, kallad de novo domesticering, gör det lättare för forskare att konstruera förbättringar av grödor från vilda sojabönor.
"Tomning av en specialgröda från dess vilda stamfader brukade ta forntida bönder tusentals år. Nu kan det ta oss bara några år", säger Ma, professor i agronomy och Indiana Soybean Alliance Endowed Chair in Soybean Improvement. Genom att använda släktingar till vilda sojabönor kan forskare använda genredigeringsmetoder för att modifiera gener som skapar nya sorter mer lämpade för jordbruksproduktion.
Att göra detta möjligt är upptäckten av två långa icke-kodande RNA-gener (lncRNA) med en ovanlig egenskap. Generna delar samma genetiska locus - de sitter sida vid sida på samma kromosom. Men dessa gener styr flera egenskaper. I allmänhet styr en gen en egenskap.
Ma och 12 medförfattare från Purdue och andra institutioner i USA och Kina rapporterade sina resultat i Nature Genetics . Studien identifierar de första långa icke-kodande RNA-generna i någon domesticerad växt- eller djurart som kan riktas mot mänskligt urval.
Medförfattare Blake Meyers vid University of California, Davis, lyfte fram hur arbetet integrerade olika tillvägagångssätt och upptäckter relaterade till lncRNA.
"Att använda ett mer traditionellt tillvägagångssätt för att kartlägga agronomiska egenskaper hos sojabönor ledde till upptäckten av en enda, delad molekylär bas. Egenskaperna är olika och inkluderar blad- och stamstorlek men också insektsresistens", säger Meyers, en framstående professor i växtvetenskap vid UC Davis.
"Det visar sig att dessa egenskaper regleras på ett ovanligt sätt, av gener som inte verkar producera ett protein, till skillnad från de flesta gener, och istället producerar långa icke-kodande RNA. Jianxins labb gjorde ett vackert arbete med att karakterisera regleringsmekanismen och stegen som ledde till till den evolutionära uppkomsten av denna unika genetiska plats," sa Meyers.
Medförfattare Randall Nelson, professor emeritus i sojabönas uppfödning vid University of Illinois Urbana-Champaign, lovordade synergismen mellan forskningsprogram som gav resultat som sannolikt inte har uppnåtts individuellt.
"Mitt program är till stor del fältbaserat och vi utvecklade en unik population av linjer från en korsning mellan sojabönor och vilda sojabönor för att kartlägga gener associerade med domesticering. Jianxins labb kunde kreativt använda dessa linjer för att identifiera ny genetisk kontroll av stora skillnader mellan sojabönor och vilda sojabönor," sa Nelson.
"Dessa resultat bidrar inte bara till vår förståelse av alternativa metoder för genetisk kontroll utan bidrar också till vår förståelse av domesticering," sa han. "I framtiden kommer dessa resultat att hjälpa till i processen att utnyttja den outnyttjade genetiska mångfalden av vilda sojabönor."
Forntida bönder tämjde den allmänt producerade moderna sorten av sojabönor – kallad Glycine max, från Glycine soja, en vild art – för århundraden sedan. De nyupptäckta lncRNA-generna är mycket uttryckta i vilda sojabönor.
"Mycket uttryckt betyder att de kan göra fler kopior av budbärar-RNA med specifika strukturer för att producera fler kopior av litet RNA, vilket hämmar uttrycket av flera proteinkodande gener som ligger bakom dessa domesticeringsrelaterade egenskaper. Men de två generna uttrycks dåligt i odlade sojabönor, " sa mamma. "De är funktionella i vilda sojabönor, men de är inte nu i odlade sojabönor eftersom en mutation inträffade naturligt."
Vilda sojabönor har små frön, blommor och blad. Allt växer sig större i odlad sojaböna. Den pubescenta formen av odlade sojabönor växer också längre stjälkar och blad i former som ger motståndskraft mot skadeinsekter som bladhoppare.
I grödor domesticering, bönder väljer växter för att öka deras lämplighet för mänskliga behov. De söker egenskaper som smak och växter med större och fler frön som leder till högre avkastning. Domestikprocessen minskar dock den genetiska mångfalden, grunden för modern avel.
Moderna domesticerade sojabönor lider av denna minskade genetiska mångfald, vilket sätter ny angelägenhet på att förstå den bredare genetiska mångfalden av vilda arter. Med kunskap om generna som är ansvariga för olika egenskaper kan sojabönsgenetiker använda molekylära metoder för att integrera dem i nya domesticerade sorter.
Genredigeringsteknik ökar deras förmåga att översätta grundforskning till utveckling av nya sojabönsorter med förbättrad frösammansättning, näringsegenskaper, oljehalt, protein och essentiella aminosyror, till exempel.
"Vi betraktar vårt team som gensökare för att hitta genetisk variation för att odla bättre sojabönor för bönder i Indiana och över hela landet," sa Ma. "Vårt labb och kollegor har tidigare identifierat flera gener som ligger bakom andra domesticeringsrelaterade egenskaper. Denna insamlade kunskap har gjort de novo domesticering av vilda sojabönor och dess släktingar möjlig."
Mer information: Weidong Wang et al, Långa icke-kodande RNA:n ligger till grund för multipla domesticeringsegenskaper och bladhopparresistens i sojabönor, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01738-2
Journalinformation: Naturgenetik
Tillhandahålls av Purdue University
