Funkcje biologiczne, dostępność zasobów i procesy ewolucyjne często odgrywają kluczową rolę w określaniu ekspresji cech genetycznych i ich korelacji. W rzeczywistości kilka cech roślin jest zwykle skorelowanych ze względu na różne czynniki ekologiczne. Typowym przykładem takich skorelowanych cech jest wysokość rośliny i wielkość nasion.

Ta korelacja jest ogólnie związana ze skalowaniem allometrycznym (względne tempo wzrostu różnych części ciała w stosunku do całkowitej wielkości ciała organizmu) po dodatniej korelacji. Istnieje kilka ram koncepcyjnych wyjaśniających podstawowy mechanizm skalowania allometrycznego u roślin, w tym hipoteza, że ​​​​nowoczesna hodowla roślin uprawnych i udomowienie mogą zmienić ewolucję i wzór wyrażania wysokości roślin i masy nasion.

Jednak mechanizmy genetyczne wpływające na skalowanie wielkości i korelację cech u roślin oraz rzeczywiste skutki intensywnego udomowienia i rozmnażania pozostają niedostatecznie zbadane.

Wysokoprzepustowe genotypowanie i fenotypowanie na dużą skalę mają ogromny potencjał do dekodowania leżących u podstaw mechanizmów genetycznych korelacji cech i skalowania wielkości. W związku z tym niedawne badanie przeprowadzone przez naukowców z Australii zidentyfikowało możliwe czynniki genetyczne leżące u podstaw korelacji między wysokością roślin a skalowaniem masy nasion w uprawach jęczmienia. W badaniu wykorzystano profil polimorfizmu pojedynczego nukleotydu (SNP) całego genomu dla zróżnicowanego zestawu próbek jęczmienia, aby zmierzyć różnice w wysokości roślin i masie nasion.

Wyjaśniając uzasadnienie swoich badań, prof. Chengdao Li, współautor badania, z Murdoch University mówi: „Badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) wykazały, że SNP mogą pomóc w identyfikacji wariantów genetycznych wpływających na dwie lub więcej cech. Co więcej, kiedy fizyczna pozycja odpowiedzialnego wariantu genetycznego zostanie zlokalizowana na chromosomie, można zbadać ich powiązanie genetyczne”.

„Wybraliśmy jęczmień do naszych badań, ponieważ jest to jedna z najważniejszych upraw zbóż, która została poddana szeroko zakrojonym badaniom genomicznym i ma wiele dostępnych danych genomicznych i fenotypowych”.

Badanie zostało opublikowane w Fenomika roślin.

Prof. Li i jego zespół przeanalizowali dane fenotypowe dotyczące wysokości roślin i masy nasion wraz z zestawem danych SNP całego genomu o dużej gęstości dla 12 828 próbek jęczmienia, które obejmowały zarówno jęczmień udomowiony, jak i dziki. Najpierw ocenili dziedziczność i korelację między obiema cechami, a następnie zidentyfikowali SNP związane z jedną z tych cech za pomocą analizy GWAS.

Następnie określili efekt plejotropowy (mechanizm korelacji cech, w którym wariant genetyczny wpływa na dwie lub więcej cech fenotypowych) każdego SNP na wysokość rośliny i masę nasion za pomocą modelowania genomowych równań strukturalnych. Ponadto ocenili wpływ powiązań genetycznych na te dwie cechy za pomocą rozpadu nierównowagi sprzężeń (LD).

Naukowcy odkryli, że podczas gdy wysokość rośliny i masa nasion były dziedziczne i dodatnio skorelowane w udomowionym jęczmieniu, nie było to widoczne w przypadku dzikiego jęczmienia. Co więcej, uprawy jęczmienia udomowionego są krótsze i mają mniejsze nasiona niż jęczmień dziki, co sugeruje, że bezpośrednia sztuczna selekcja ma mniejszy wpływ na wysokość rośliny i wagę nasion.

Zespół zidentyfikował również 20 SNP, które wywoływały efekty plejotropowe zarówno na wysokość roślin, jak i na masę nasion, i były powiązane z co najmniej trzema funkcjonalnymi genami związanymi ze wzrostem i rozwojem roślin. Wreszcie analiza rozpadu LD wykazała, że ​​znaczna liczba markerów genetycznych, które wpływają na jedną lub obie cechy, jest ściśle powiązana w chromosomie.

Wyniki te wyraźnie wskazują, że podstawą skalowania wysokości roślin i masy nasion jęczmienia są dwa odrębne mechanizmy genetyczne — plejotropia i sprzężenie genetyczne.

„Nasze odkrycia zapewniają lepsze zrozumienie czynników genetycznych leżących u podstaw skalowania wielkości, co z kolei może poszerzyć zakres badania innych mechanizmów leżących u podstaw skalowania allometrycznego u roślin. Podczas gdy nasze badanie dotyczyło skalowania wielkości u pojedynczego gatunku roślin uprawnych, wskazuje to na możliwe istnienie podobnych mechanizmów genomowych dla skalowania allometrycznego w innych gatunkach roślin”, zauważa prof. Li.

Co więcej, ponieważ skalowanie wielkości jęczmienia jest dodatnio skorelowane, ograniczone genetycznie i ma minimalny wpływ na udomowienie, wyniki tego badania mogą mieć potencjalne implikacje dla hodowli roślin uprawnych, w których pożądane są skorelowane cechy w przeciwnym kierunku.