Rośliny wykazują ogromną różnorodność cech istotnych dla hodowli, takich jak wysokość rośliny, plon i odporność na szkodniki. Jednym z największych wyzwań we współczesnych badaniach nad roślinami jest zidentyfikowanie różnic w informacji genetycznej, które są odpowiedzialne za tę zmienność.

Zespół badawczy kierowany przez grupę roboczą „Crop Yield” w Instytucie Fizjologii Molekularnej Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie (HHU) i Carnegie Institution of Science w Stanford opracował metodę precyzyjnej identyfikacji tych szczególnych różnic w informacji genetycznej.

Na przykładzie kukurydzy demonstrują w czasopiśmie ogromny potencjał swojej metody Biologia genomu i przedstawić regiony w genomie kukurydzy, które mogą przyczynić się do zwiększenia plonów i odporności na szkodniki podczas hodowli.

Schemat wszystkich organizmów jest zakodowany w ich DNA. Obejmuje to geny, które kodują białka i określają wrodzone cechy organizmu. Ponadto istnieją inne ważne sekcje DNA, w szczególności regiony kontrolujące regulację genów, tj. kiedy, w jakich warunkach iw jakim stopniu geny są aktywowane.

Jednak w porównaniu z genami te regiony regulacyjne – znane również jako „elementy cis” – są trudne do znalezienia. Zmiany właśnie w tych elementach DNA są w dużej mierze odpowiedzialne za różnice między organizmami – a więc także między różnymi odmianami roślin.

W ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy odkryli, że regiony regulatorowe są miejscami wiązania określonych białek. Znane jako czynniki transkrypcyjne, określają kiedy i na jak długo geny są aktywowane.

Korespondent, dr Thomas Hartwig, który kieruje grupą badawczą Crop Yield w Instytucie Fizjologii Molekularnej HHU i Instytucie Badań nad Hodowlą Roślin Maxa Plancka (MPIPZ) w Kolonii, wyjaśnia: „Znalezienie kilku odmian, które są kluczowe dla zmiany cech, takich jak ponieważ odporność na szkodniki wśród milionów niezwiązanych z przyczyną różnic w genomie jest ostatecznym poszukiwaniem igły w stogu siana”.

„W przeciwieństwie do genów kodujących białka, miejsc regulatorowych zwykle nie można zidentyfikować na podstawie samej sekwencji. To sprawia, że ​​​​bardzo trudno jest je wskazać. Nasza metoda wykorzystuje rośliny hybrydowe do pomiaru bezpośredniego wpływu zmian w sekwencji DNA na wiązanie czynnika transkrypcyjnego” – mówi kierownik autor Profesor dr Zhi-Yong Wang z Carnegie Institution for Science.

Badanie zostało opracowane we współpracy z naukowcami z Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) w Gatersleben, a także z University of Nebraska-Lincoln i Iowa State University w USA.

Wykorzystując hybrydy, czyli pierwszą generację roślin powstałą w wyniku krzyżowania dwóch odmian, zespół badawczy może porównać, które regiony regulacyjne różnią się w całym genomie. Współautorka dr Julia Engelhorn mówi: „Nasza metoda analityczna pozwala nam dokładnie zmierzyć, czy czynniki transkrypcyjne wiążą się bardziej z genomem matki czy ojca”. Ta procedura umożliwiła również zespołowi zidentyfikowanie tysięcy różnic związanych z cechami, takimi jak plon i odporność na szkodniki kukurydzy.

Technologia została zademonstrowana dla czynnika transkrypcyjnego w szlaku brassinosteroidowym, hormonu związanego ze wzrostem i chorobami. Dyrektor Instytutu, profesor dr Wolf B. Frommer, mówi: „Zespół zidentyfikował tysiące odmian genomowych, które mogą wyjaśnić, dlaczego jedna odmiana kukurydzy zachowuje się inaczej pod względem plonów lub odporności na choroby. Co więcej, zespół był w stanie wykazać, że te różnice są prawie w równym stopniu genetyczne i epigenetyczne”. Ten ostatni opisuje procesy, które wpływają na aktywność genów, nie będąc zakodowanymi w samej sekwencji DNA.

Jednym z głównych wyników badań jest lista ponad 6000 regionów genomu, które mogą być celem hodowli roślin. Mogą to być regiony, w których niektóre odmiany kukurydzy wykazują pozytywne cechy, których brakuje innym roślinom.

Hartwig mówi: „Wiedza, gdzie w genomie można zastosować nowoczesne metody hodowlane do przenoszenia cech z pewnych odmian na inne, ma ogromne znaczenie dla biotechnologii. Nasze badanie może służyć jako przewodnik, jak znaleźć te interesujące regiony genomu”.

Profesor Frommer dodaje: „Wyniki badań kładą podwaliny pod zastosowanie nowoczesnych technik uprawy nowych odmian kukurydzy poprzez umiejętne łączenie optymalnych wariantów”.