Wat er ondergronds in een maïsveld gebeurt, is gemakkelijk over het hoofd te zien, maar de architectuur van maïswortels kan een belangrijke rol spelen bij de water- en nutriëntenopname, wat invloed heeft op de droogtetolerantie, de efficiëntie van het watergebruik en de duurzaamheid. Als veredelaars maïswortels zouden kunnen aanmoedigen om onder een steilere hoek naar beneden te groeien, zou het gewas mogelijk toegang kunnen krijgen tot belangrijke hulpbronnen dieper in de grond.

Een eerste stap in de richting van dat doel is het leren van de genen die betrokken zijn bij gravitropisme, wortelgroei als reactie op zwaartekracht. In een nieuwe studie gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Illinois. identificeer vier van dergelijke genen in maïs en de modelplant Arabidopsis.

Wanneer een ontkiemend zaadje op zijn kant wordt gedraaid, maken sommige wortels een plotselinge, steile bocht naar de zwaartekracht, terwijl andere een fractie langzamer draaien. De onderzoekers gebruikten machine vision-methoden om subtiele verschillen in wortelgravitropisme in duizenden zaailingen waar te nemen en combineerden die gegevens met genetische informatie voor elke zaailing. Het resultaat bracht de waarschijnlijke posities van gravitropismegenen in het genoom in kaart.

De kaart bracht de onderzoekers naar de juiste buurt in het genoom - regio's van een paar honderd genen - maar ze waren nog ver verwijderd van het identificeren van specifieke genen voor gravitropisme. Gelukkig hadden ze een tool die kon helpen.

"Omdat we eerder hetzelfde experiment hadden uitgevoerd met de ver verwante Arabidopsis-plant, waren we in staat om genen binnen de relevante regio's van het genoom in beide soorten te matchen. Vervolgtests bevestigden de identiteit van vier genen die wortelgravitropisme wijzigen. De nieuwe informatie zou ons kunnen helpen begrijpen hoe zwaartekracht de architectuur van het wortelstelsel vormt", zegt Edgar Spalding, professor in de afdeling Botany van de Universiteit van Wisconsin en hoofdauteur van het onderzoek.

Matt Hudson, professor in het Department of Crop Sciences aan de Universiteit van Illinois en co-auteur van de studie, voegt toe:"We hebben gekeken naar een onderbelichte eigenschap in maïs die om een ​​aantal redenen belangrijk is, vooral in de context van klimaatverandering En we hebben het gedaan door de evolutionaire verschillen tussen planten in ons voordeel te laten werken."

Maïs en Arabidopsis, een klein mosterdfamilielid dat uitvoerig is beschreven door plantenbiologen, evolueerden ongeveer 150 miljoen jaar uit elkaar in de evolutionaire geschiedenis. Hudson legt uit dat hoewel beide soorten de basisfuncties van de plant gemeen hebben, de genen die ze aansturen in de loop van de tijd waarschijnlijk door elkaar zijn gegooid in het genoom. Dat blijkt een goede zaak te zijn om gemeenschappelijke genen te verkleinen.

In nauw verwante soorten hebben genen de neiging om in ongeveer dezelfde volgorde in het genoom te liggen (bijv. ABCDEF). Hoewel dezelfde genen kunnen voorkomen in verre verwante soorten, komt de volgorde van genen in de regio waar de eigenschap naar verwijst niet overeen (bijv. UGRBZ). Nadat de onderzoekers hadden vastgesteld waar ze in elk genoom moesten kijken, zorgden de anders niet-overeenkomende gensequenties ervoor dat de gemeenschappelijke genen (in dit geval B) tevoorschijn kwamen.

"Ik vond het super cool dat we genen konden identificeren die we anders niet zouden hebben gevonden, gewoon door genomische intervallen in niet-verwante plantensoorten te vergelijken", zegt Hudson. "We waren er vrij zeker van dat ze de juiste genen waren toen ze uit deze analyse tevoorschijn kwamen, maar de groep van Spalding deed er vervolgens nog zeven of acht jaar over om solide biologische gegevens te verzamelen om te verifiëren dat ze inderdaad een rol spelen in gravitropisme. Nadat ze dat hadden gedaan, Ik denk dat we de hele aanpak zo hebben gevalideerd dat je deze methode in de toekomst voor veel verschillende fenotypes kunt gebruiken."

Spalding merkt op dat de methode waarschijnlijk bijzonder succesvol was omdat nauwkeurige metingen werden gedaan in een gemeenschappelijke omgeving.

"Vaak meten maïsonderzoekers hun interessegebieden in een veld, terwijl Arabidopsis-onderzoekers hun planten meestal in groeikamers kweken", zegt hij. "We hebben het fenotype van wortelgravitropisme op een zeer gecontroleerde manier gemeten. Deze zaden werden gekweekt op een petrischaal en de test duurde slechts enkele uren, in tegenstelling tot eigenschappen die je in de echte wereld zou kunnen meten en die openstaan ​​voor allerlei soorten variabiliteit."

Zelfs als eigenschappen in een gemeenschappelijke omgeving kunnen worden gemeten, zijn niet alle eigenschappen goede kandidaten voor deze methode. De onderzoekers benadrukken dat eigenschappen in kwestie fundamenteel moeten zijn voor de basisfunctie van planten, zodat dezelfde oude genen bestaan ​​in niet-verwante soorten.

"Gravitropisme kan met deze benadering vooral worden bestudeerd, omdat het de sleutel zou zijn geweest tot de oorspronkelijke specialisatie van scheuten en wortels na de succesvolle kolonisatie van het land", zegt Spalding.

Hudson merkt op dat gravitropisme ook de sleutel zal zijn tot kolonisatie van een ander landschap.

"NASA is geïnteresseerd in het verbouwen van gewassen op andere planeten of in de ruimte en ze moeten weten waarvoor je moet kweken om dat te doen", zegt hij. "Planten zijn behoorlijk vervormd zonder zwaartekracht." + Verder verkennen

Transporter-eiwit reguleert wortelgravitropisme in Arabidopsis