Al meer dan een eeuw, plantgenetici hebben maïs bestudeerd als een modelsysteem om de regels voor de overerving van eigenschappen te begrijpen, en een team van onderzoekers heeft onlangs een voorheen onbekend mechanisme onthuld dat gen-uitschakeling in maïs veroorzaakt. Gen-uitschakeling schakelt genetische eigenschappen uit, een belangrijke overweging voor plantenveredelaars die afhankelijk zijn van de trouwe overerving van eigenschappen van generatie op generatie.

historisch, het maïs p1-gen is door maïsgenetici als model gebruikt. Eerdere onderzoekers wisten niet dat twee soorten overlappende DNA-methylatiemarkeringen konden veranderen, dit gen tot zwijgen brengen of activeren. De ontdekking draagt ​​bij aan de kennis van genetici over verschillende mechanismen van niet-Mendeliaanse overerving, volgens hoofdonderzoeker Surinder Chopra, hoogleraar maïsgenetica, College voor Landbouwwetenschappen, Penn State.

In bevindingen gerapporteerd in PLOS One , Chopra's team toonde aan dat het tot zwijgen brengen van het gen voor de kleur 1 van de pericarpkleur - regulator van de kleur van de buitenste laag van de korrels en de kleur van de kolf - twee "overlappende" epigenetische componenten kan hebben:RNA-afhankelijke DNA-methylatie (RdDM) en niet-RNA-afhankelijke DNA-methylatie ( niet-RdDM).

"DNA-methylering, dat is de toevoeging van methylgroepen aan het DNA-molecuul, kan de activiteit van een DNA-segment veranderen zonder de volgorde te veranderen, " zei hij. "DNA-methylatie werkt typisch om gentranscriptie te onderdrukken, dat is de eerste stap van genexpressie."

In plantencellen, wanneer en op welk niveau een gen tot expressie wordt gebracht, staat onder strikte controle tussen transcriptie-activering en -onderdrukking, Chopra uitgelegd. Kleine RNA's - moleculen die essentieel zijn voor de regulatie en expressie van genen - kunnen de methylering van DNA-strengen bemiddelen en de transcriptie-activiteit afsluiten, speelt daarom een ​​rol bij het tot zwijgen brengen van overgeërfde genen of transgenen die zijn geïntroduceerd om gewenste gewaskenmerken te produceren.

in maïs, het pericarp color 1 gen reguleert de ophoping van steenrode flavonoïde pigmenten, phlobahpenen genaamd. Het patroon van pigmentatie op het pericarp van de maïskorrel en "glumes" -membraan dat de kolf bedekt - hangt af van de expressie van het pericarp color 1 gen. Enkele voorbeelden van deze patronen zijn:witte korrels, rode kolf; rode pitten, rode kolf; bonte pitten, bonte kolf; rode pitten, witte kolf; en witte pitten, witte kolf.

"Ons onderzoek naar het kleur 1-gen van de pericarp van maïs heeft de betrokkenheid aangetoond van zowel kleine RNA-afhankelijke als kleine RNA-onafhankelijke mechanismen voor genonderdrukking, Chopra zei. "Deze studie onthult de extra laag van genregulatie door kleine RNA's, en verbetert ons begrip van hoe genexpressie specifiek wordt gereguleerd in het ene weefsel, maar niet in het andere."

Typisch, wanneer plantenveredelaars nieuwe soorten cultivars creëren, verschillende eigenschappen waarop ze fokken kunnen verdwijnen of hun expressie wordt verminderd in het nageslacht, hij zei. "En dat, we weten nu, komt door gene silencing."

Een beter begrip van hoe gene-silencing-mechanismen ervoor zorgen dat gewenste eigenschappen verdwijnen, is al lang nodig, Chopra gelooft. Het kan desastreus zijn voor een boer om zaden te kopen die zich in de kweek niet gedragen zoals ze door de producent zijn beloofd.

Als een of meer genen die een eigenschap beheersen, stil worden door overlappende DNA-methylatie, dan verdwijnt die eigenschap in principe uit de populatie.

"Dat is een grote tegenslag voor iedereen die probeert te kweken op eigenschappen als hoge opbrengst, die wordt gereguleerd door verschillende genen, " zei Chopra. "Als een of twee van die genen die essentieel zijn voor een hoge opbrengst stil worden, dan kan een vermindering van de totale opbrengst het gevolg zijn."