玉米田地下發生的事情很容易被忽視,但玉米根系結構可以在水分和養分的獲取中發揮重要作用,影響耐旱性、水分利用效率和可持續性。 如果育種者可以鼓勵玉米根部以更陡峭的角度向下生長,那麼這種作物就有可能獲得土壤深處的重要資源。
朝著這個目標邁出的第一步是學習與重力有關的基因,即根系在重力作用下的生長。 在發表於 訴訟中的國家科學院院士,威斯康星大學的科學家,與伊利諾伊大學的研究人員合作。 在玉米和模式植物擬南芥中鑑定出四個這樣的基因。
當發芽的種子側翻時,一些根部會突然、陡峭地轉向重力,而另一些根部會更慢地轉動一小部分。 研究人員使用機器視覺方法觀察了數千株幼苗根向地性的細微差異,並將這些數據與每株幼苗的遺傳信息相結合。 結果繪製了基因組中向地性基因的可能位置。
這張地圖讓研究人員找到了基因組中正確的區域——幾百個基因的區域——但他們距離確定特定的向地性基因還有很長的路要走。 幸運的是,他們有一個可以提供幫助的工具。
“因為我們之前對遠緣的擬南芥植物進行了相同的實驗,所以我們能夠匹配兩個物種基因組相關區域內的基因。 後續測試驗證了改變根向地性的四個基因的身份。 新信息可以幫助我們了解重力如何塑造根系架構,”威斯康星大學植物系教授、該研究的主要作者 Edgar Spalding 說。
伊利諾伊大學作物科學系教授、研究合著者馬特哈德森補充說:“我們研究了玉米中一個研究不足的性狀,該性狀由於多種原因很重要,尤其是在氣候變化的背景下. 我們通過使植物之間的進化差異對我們有利來做到這一點。”
玉米和擬南芥是植物生物學家詳盡描述的一種小型芥菜近緣種,在進化史上相距約 150 億年。 哈德森解釋說,雖然這兩個物種共享基本的植物功能,但隨著時間的推移,控制它們的基因很可能在基因組中混雜在一起。 事實證明,這對於縮小共同基因範圍是件好事。
在密切相關的物種中,基因傾向於在基因組中以大致相同的順序排列(例如,ABCDEF)。 儘管相同的基因可能存在於遠親物種中,但特徵映射到的區域中的基因順序不匹配(例如,UGRBZ)。 在研究人員確定了在每個基因組中查找的位置之後,否則不匹配的基因序列使常見基因(在本例中為 B)突然出現。
“我認為我們可以通過比較不相關植物物種的基因組間隔來識別我們不會發現的基因,這非常酷,”哈德森說。 “當他們從這項分析中突然出現時,我們非常有信心它們是正確的基因,但斯伯丁的小組隨後又花了七八年時間獲得可靠的生物學數據,以證實它們確實在向地引力中發揮作用。 這樣做之後,我認為我們已經驗證了整個方法,以便將來您可以將這種方法用於許多不同的表型。”
Spalding 指出,這種方法可能特別成功,因為精確測量是在共同環境中進行的。
“通常,玉米研究人員會在田間測量他們感興趣的特性,而擬南芥研究人員傾向於在生長室中培養他們的植物,”他說。 “我們以高度可控的方式測量了根向地性表型。 這些種子是在培養皿上生長的,試驗只持續了幾個小時,而不是你可能在現實世界中測量的對各種可變性開放的特徵。”
即使可以在通用環境中測量特徵,也不是所有特徵都適合這種方法。 研究人員強調,所討論的特徵應該是植物基本功能的基礎,確保相同的古老基因存在於不相關的物種中。
“通過這種方法研究向地性可能特別容易,因為它可能是土地成功殖民化後芽和根的原始專業化的關鍵,”斯伯丁說。
哈德森指出,地心引力也將是殖民不同景觀的關鍵。
“美國宇航局對在其他行星或太空種植農作物很感興趣,他們需要知道你必須為做到這一點而培育什麼,”他說。 “植物在沒有重力的情況下非常混亂。”
文章“利用玉米和擬南芥 QTL 中的直系學來識別影響向地性自然變異的基因”發表在 訴訟中的國家科學院院士 [DOI:10.1073/pnas.2212199119]。 該研究由美國國家科學基金會資助。
作物科學系位於伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的農業、消費者和環境科學學院。