آنچه در زیر زمین در مزرعه ذرت اتفاق می افتد به راحتی قابل چشم پوشی است، اما معماری ریشه ذرت می تواند نقش مهمی در جذب آب و مواد مغذی داشته باشد و بر تحمل خشکی، کارایی مصرف آب و پایداری تأثیر بگذارد. اگر پرورش دهندگان بتوانند ریشه های ذرت را تشویق کنند تا با زاویه تندتر رشد کنند، محصول به طور بالقوه می تواند به منابع مهم در عمق خاک دسترسی پیدا کند.
اولین قدم برای رسیدن به این هدف، یادگیری ژنهای دخیل در گراویتروپیسم، رشد ریشه در پاسخ به گرانش است. در یک مطالعه جدید منتشر شده در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم، دانشمندان دانشگاه ویسکانسین، با همکاری محققان دانشگاه ایلینویز. چهار ژن از این قبیل را در ذرت و گیاه مدل آرابیدوپسیس شناسایی کنید.
هنگامی که یک بذر جوانه زده به سمت خود چرخانده می شود، برخی از ریشه ها یک چرخش ناگهانی و تند به سمت نیروی جاذبه ایجاد می کنند، در حالی که برخی دیگر کسری را آهسته تر می چرخانند. محققان از روشهای بینایی ماشینی برای مشاهده تفاوتهای ظریف در جاذبهگرایی ریشه در هزاران نهال استفاده کردند و این دادهها را با اطلاعات ژنتیکی هر نهال ترکیب کردند. نتیجه، موقعیتهای احتمالی ژنهای گراویتروپیسم را در ژنوم ترسیم کرد.
این نقشه محققان را به همسایگی مناسب در ژنوم - مناطقی از چند صد ژن - رساند، اما آنها هنوز تا شناسایی ژنهای خاص جاذبهگرایی فاصله زیادی داشتند. خوشبختانه آنها ابزاری داشتند که می توانست کمک کند.
از آنجایی که قبلاً آزمایش مشابهی را با گیاه آرابیدوپسیس انجام داده بودیم، توانستیم ژنها را در مناطق مربوطه ژنوم در هر دو گونه با هم تطبیق دهیم. آزمایشهای بعدی هویت چهار ژن را تأیید کردند که گراویتروپیسم ریشه را تغییر میدهند. ادگار اسپالدینگ، استاد گروه گیاهشناسی در دانشگاه ویسکانسین و نویسنده اصلی این مطالعه، میگوید: اطلاعات جدید میتواند به ما در درک چگونگی شکلگیری گرانش به معماری سیستم ریشه کمک کند.
مت هادسون، استاد دپارتمان علوم زراعی در دانشگاه ایلینویز و یکی از نویسندگان این مطالعه، می افزاید: «ما به یک ویژگی کمتر تحقیق شده در ذرت نگاه کردیم که به دلایل متعددی، به ویژه در زمینه تغییرات آب و هوایی مهم است. . و ما این کار را با ایجاد تفاوتهای تکاملی بین گیاهان به نفع خود انجام دادیم.»
ذرت و آرابیدوپسیس، یکی از بستگان خردل کوچک که توسط زیست شناسان گیاهی به طور کامل توصیف شده است، با فاصله حدود 150 میلیون سال در تاریخ تکامل تکامل یافته اند. هادسون توضیح میدهد که اگرچه هر دو گونه عملکردهای اولیه گیاهی را به اشتراک میگذارند، ژنهای کنترلکننده آنها احتمالاً در طول زمان در ژنوم به هم ریختهاند. به نظر می رسد که این یک چیز خوب برای محدود کردن ژن های رایج است.
در گونه های نزدیک به هم، ژن ها تمایل دارند تقریباً به همان ترتیب در ژنوم قرار گیرند (مثلاً ABCDEF). اگرچه ممکن است همان ژنها در گونههای دوردست هم وجود داشته باشند، اما ترتیب ژنها در منطقهای که صفت به آن نقشهبرداری میکند مطابقت ندارد (مثلاً UGRBZ). پس از اینکه محققان شناسایی کردند که در هر ژنوم کجا باید جستجو کنند، توالیهای ژنی که در غیر این صورت ناهماهنگ بودند، ژنهای رایج (در این مورد B) را بیرون زدند.
هادسون میگوید: «فکر میکردم خیلی جالب است که بتوانیم ژنهایی را که در غیر این صورت نمیتوانستیم، فقط با مقایسه فواصل ژنومی در گونههای گیاهی غیرمرتبط شناسایی کنیم.» زمانی که آنها از این تجزیه و تحلیل بیرون آمدند، کاملاً مطمئن بودیم که آنها ژنهای مناسبی هستند، اما گروه اسپالدینگ پس از آن هفت یا هشت سال دیگر را صرف جمعآوری دادههای بیولوژیکی جامد کرد تا تأیید کند که آنها واقعاً نقشی در جاذبهگرایی دارند. پس از انجام این کار، من فکر می کنم که ما کل رویکرد را تایید کرده ایم به طوری که در آینده می توانید از این روش برای بسیاری از فنوتیپ های مختلف استفاده کنید.
اسپالدینگ اشاره میکند که این روش احتمالاً بهویژه موفق بوده است، زیرا اندازهگیریهای دقیق در یک محیط مشترک انجام شده است.
او می گوید: «اغلب، محققان ذرت ویژگی های مورد علاقه خود را در یک مزرعه اندازه گیری می کنند، در حالی که محققان آرابیدوپسیس تمایل دارند گیاهان خود را در اتاقک های رشد پرورش دهند. ما فنوتیپ گراویتروپیسم ریشه را به روشی بسیار کنترل شده اندازه گیری کردیم. این دانهها در یک صفحه پتری رشد کردند، و آزمایش فقط ساعتها طول کشید، برخلاف صفاتی که در دنیای واقعی میتوان اندازهگیری کرد و برای انواع متغیرها باز است.»
حتی زمانی که بتوان صفات را در یک محیط مشترک اندازه گیری کرد، همه صفات کاندیدای خوبی برای این روش نیستند. محققان تاکید میکنند که ویژگیهای مورد بحث باید برای عملکرد پایه گیاه اساسی باشند و اطمینان حاصل کنند که همان ژنهای باستانی در گونههای غیرمرتبط وجود دارند.
اسپالدینگ میگوید: «جاذبهگرایی ممکن است بهویژه از طریق این رویکرد قابل مطالعه باشد، زیرا میتوانست در تخصص اصلی شاخهها و ریشهها پس از استعمار موفق زمین نقش کلیدی داشته باشد.»
هادسون خاطرنشان می کند که جاذبه گرایی کلیدی برای استعمار یک چشم انداز متفاوت نیز خواهد بود.
او میگوید: «ناسا علاقهمند به رشد محصولات در سیارات دیگر یا در فضا است و آنها باید بدانند که برای انجام این کار باید برای چه چیزی پرورش یابند. "گیاهان بدون گرانش بسیار متلاشی می شوند."
مقاله با عنوان "اهم سازی ارتولوژی در ذرت و آرابیدوپسیس QTL برای شناسایی ژن های موثر بر تنوع طبیعی در گراویتروپیسم" منتشر شده است. مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم تامین شد.
گروه علوم زراعی در کالج علوم کشاورزی، مصرف کننده و محیط زیست در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign است.