Odkrycie genów może utorować drogę elastycznemu atomowi wróżki

AMES, Iowa – Niedawno zidentyfikowano gen powszechnie występujący w roślinach jako kluczowy transporter hormonu wpływającego na wielkość kukurydzy. Odkrycie to zapewnia hodowcom roślin nowe narzędzie do opracowywania pożądanych odmian karłowatych, które mogą zwiększyć odporność upraw i rentowność.

Zespół naukowców pod kierownictwem Iowa State University spędził lata pracując nad określeniem funkcji genu ZmPILS6. Teraz są w stanie opisać go jako ważny czynnik wpływający na wielkość i strukturę rośliny oraz nośnik hormonu auksyny, który pomaga kontrolować wzrost korzeni pod ziemią i pędów lub łodyg nad ziemią. Ich ustalenia zostały opublikowane w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk (PNAS) w tym tygodniu.

„Cechą charakterystyczną obecnej ery nauki jest to, że mamy wszystkie te wysokiej jakości dane genetyczne, czy to dotyczące kukurydzy, ludzi, czy innych organizmów, a teraz mamy zadanie dowiedzieć się, co faktycznie robią te geny” – powiedziała Deor-Kelly . jest adiunktem genetyki, rozwoju i biologii komórki w stanie Iowa, który kierował zespołem badawczym.

Grupa zastosowała „odwrotne badanie genetyczne” (od genu do cechy wyrażanej w roślinie) wraz z innymi technikami, śledząc rolę genów w ewolucji kukurydzy. Według Kelly’ego odwrócone przesiewacze wymagają wielu sezonów wegetacyjnych i nie zawsze się sprawdzają. Dokładne scharakteryzowanie ZmPILS6 i sprawdzenie, czy reguluje on wzrost roślin, zajęło jej zespołowi siedem lat.

Kiedy zmodyfikowane zmutowane rośliny zostały „usunięte”, ich brak spowodował zahamowanie bocznego tworzenia korzeni i wysokości rośliny. Badania doprowadziły do ​​tymczasowego patentu na jego potencjalne zastosowanie w programach hodowlanych w celu produkcji kukurydzy niskorosłej, która jest nadal wysoce wydajna.

„Nazywam ją kukurydzą wróżkową” – powiedziała Kelly. „Jest nią bardzo zainteresowana z kilku powodów, w tym z powodu niskiego zużycia wody i składników odżywczych oraz odporności na silne wiatry”.

Badając ZmPILS6 w kukurydzy, badacze doszli do innego ciekawego odkrycia: gen wydawał się mieć odwrotny wpływ na wzrost roślin w porównaniu z podobnym genem u Arabidopsis, rośliny często wykorzystywanej jako model w badaniach.

„To było zupełnie nieoczekiwane” – powiedziała Kelly. „Pokazuje, że białka roślinne, które ewoluowały w różnych kontekstach, mogą zachowywać się odmiennie. Podkreśla to potrzebę badania genów bezpośrednio w głównych uprawach, zamiast sądzić, że rozumiemy je na podstawie tego, jak działają w innych roślinach”.

Kelly w dużej mierze zawdzięcza sukces projektu „wspaniałemu zespołowi współpracowników”, zwłaszcza Craigowi Cowlingowi, doktorantowi w laboratorium Kelly'ego i pierwszemu autorowi artykułu PNAS. „To Craig przeprowadził badania, aby potwierdzić, że gen ten przenosi auksynę, hormon roślinny, i że całkowicie kontroluje wielkość kukurydzy”.

„Ten projekt i bycie pierwszym autorem artykułu w tak ważnym czasopiśmie było czymś niesamowitym” – powiedział Cowling. „To była dla mnie długa podróż. Będąc w szkole średniej w Des Moines, nigdy nie myślałem, że pójdę na studia, więc dołączyłem do ROTC, a następnie do Marines, gdzie pracowałem na całym świecie jako specjalista ds. technologii. Kiedy Wyszedłem, chciałem… „Robię coś innego i dzięki dobrym mentorom odkryłem, że uwielbiam pracować z roślinami i rozumieć je”.

Kelly nazywa nowe badania „fundamentalnymi” badaniami podstawowymi pozwalającymi zrozumieć gen wpływający na wiele złożonych cech rozwojowych, który został zachowany w drodze ewolucji w wielu roślinach, od alg po kukurydzę. „Ma także charakter «transformacyjny», ponieważ łączy się z zasobami genetycznymi, które można wykorzystać do ulepszenia programów hodowlanych” – dodała. „To otwiera przed moim laboratorium zupełnie nowe pytania i aspekty badawcze.”

Inni współautorzy artykułu PNAS:

• Judyta B. Callwood, absolwent Wydziału Genetyki, Rozwoju i Biologii Komórki stanu Iowa;
• Maxwell R. McReynolds, były absolwent Uniwersytetu Stanu Iowa, obecnie prowadzący prywatną działalność gospodarczą;
• Melissa Draves i Jasper Kohr, byli studenci Iowa State, którzy obecnie studiują w innym miejscu;
• Justin Whaley, adiunkt w Wydziale Patologii Roślin, Entomologii i Mikrobiologii stanu Iowa;
• I Ariela L. Humayuni i Lucia C. Strader z Duke University; I
• Haiyan Ke i Katayun Deheesh z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside.

Projekt ten był wspierany przez konkurencyjny grant Inicjatywy na rzecz Badań nad Rolnictwem i Żywnością przyznany przez Narodowy Instytut Żywności i Rolnictwa USDA oraz fundusze startowe USDA z College of Agriculture and Life Sciences na Iowa State University.