AMES, IA – Powszechnie występujący gen w roślinach został niedawno zidentyfikowany jako kluczowy transporter hormonu wpływającego na wielkość kukurydzy. Odkrycie oferuje hodowcom roślin nowe narzędzie do opracowania pożądanych odmian karłowatych, które mogłyby zwiększyć odporność upraw i rentowność.

Zespół naukowców pod kierownictwem Iowa State University spędził lata pracując nad określeniem funkcji genu ZmPILS6. Teraz udało im się scharakteryzować go jako ważny czynnik wpływający na wielkość i architekturę rośliny oraz nośnik hormonu auksyny, który pomaga regulować wzrost korzeni pod ziemią i pędów lub łodyg nad ziemią. Wyniki ich badań opublikowano w tym tygodniu w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

„Cechą charakterystyczną obecnego wieku nauki jest to, że mamy wszystkie te wysokiej jakości dane dotyczące genomu, czy to kukurydzy, czy ludzi, czy innych organizmów, a teraz mamy zadanie dowiedzieć się, co faktycznie robią geny” – powiedział Dior Kelley, adiunkt genetyki, rozwoju i biologii komórki w stanie Iowa, który kierował zespołem badawczym.

Grupa zastosowała „odwrotne badanie genetyczne” (od genu do cech wyrażanych w roślinie) w połączeniu z innymi technikami, śledząc rolę genu w rozwoju kukurydzy. Według Kelleya odwrócone przesiewacze wymagają wielu sezonów wegetacyjnych i nie zawsze się sprawdzają. Jej grupie zajęło siedem lat dokładne scharakteryzowanie ZmPILS6 i sprawdzenie, czy reguluje on wzrost roślin.

Kiedy „wyeliminowano” zmodyfikowane, zmutowane rośliny, jego brak zahamował boczne tworzenie korzeni i wysokość rośliny. Badania doprowadziły do ​​tymczasowego patentu na jej potencjał do wykorzystania w programach hodowlanych w celu uzyskania kukurydzy niskiego wzrostu, która nadal jest wysoce wydajna.

„Myślę o tym jak o kukurydzy wróżkowej” – powiedział Kelley. „Jest nim duże zainteresowanie z wielu powodów, w tym ze względu na zmniejszone zużycie wody i składników odżywczych oraz jego odporność na silne wiatry”.

Badając ZmPILS6 w kukurydzy, naukowcy dokonali kolejnego ciekawego odkrycia: gen wydawał się mieć odwrotny wpływ na wzrost roślin niż porównywalny gen w Arabidopsisroślina często używana jako model do badań.

„To było bardzo nieoczekiwane” – powiedział Kelley. „Ilustruje to, że białka roślinne, które ewoluowały w różnych kontekstach, mogą zachowywać się odmiennie. Podkreśla potrzebę badania genów bezpośrednio w kluczowych uprawach, zamiast sądzić, że rozumiemy je na podstawie tego, jak działają w innych roślinach”.

Kelley przypisuje sukces projektu „świetnemu zespołowi współpracowników”, zwłaszcza Craigowi Cowlingowi, doktorantowi w laboratorium Kelleya, który jest pierwszym autorem artykułu PNAS. „To Craig naprawdę się wgłębił i potwierdził, że ten gen przenosi auksynę, hormon roślinny, który całkowicie kontroluje wielkość kukurydzy”.

„Ten projekt i fakt, że zostałem uznany za pierwszego autora artykułu w tym ważnym czasopiśmie, był trochę niewiarygodny” – powiedział Cowling. „To była dla mnie długa podróż. Będąc w szkole średniej w Des Moines, nigdy nie myślałem, że pójdę na studia, więc poszedłem do ROTC, a następnie do Marines, gdzie pracowałem na całym świecie jako specjalista ds. technologii. Kiedy wyszedłem, chciałem zrobić coś innego. Dzięki dobrym mentorom odkryłam, że uwielbiam pracować z roślinami i rozumieć je”.

Kelley nazywa nowe badania „fundamentalnymi” badaniami podstawowymi mającymi na celu zrozumienie genu wpływającego na liczne, złożone cechy wzrostu, które ewolucja zachowała w wielu roślinach, od glonów po kukurydzę. „Ma także charakter «tłumaczalny», ponieważ łączy się z zasobami genetycznymi, które można wykorzystać do ulepszenia programów hodowlanych” – stwierdziła. „To otwiera zupełnie nowe pytania i aspekty badań w moim laboratorium”.

Pozostali współautorzy artykułu PNAS:

• Jodi B. Callwood, absolwentka Wydziału Genetyki, Rozwoju i Biologii Komórki stanu Iowa;
• Maxwell R. McReynolds, były absolwent stanu Iowa, obecnie pracujący w prywatnym biznesie;
• Melissa Draves i Jasper Kohr, byli studenci studiów licencjackich ze stanu Iowa, którzy obecnie studiują w innym miejscu;
• Justin Walley, adiunkt w Wydziale Patologii Roślin, Entomologii i Mikrobiologii stanu Iowa;
• Arielle L. Homayouni i Lucia C. Strader na Uniwersytecie Duke; I
• Haiyan Ke i Katayoon Dehesh z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside.

Projekt ten otrzymał wsparcie w ramach konkurencyjnego grantu w ramach Inicjatywy na rzecz Badań nad Rolnictwem i Żywnością za pośrednictwem Narodowego Instytutu Żywności i Rolnictwa USDA oraz funduszy na rozpoczęcie działalności USDA Hatch od Kolegium Rolnictwa i Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Stanowego Iowa.