Wetenschap
Onderzoekers identificeren genen die belangrijk zijn voor aanpassing en bepalen dat wortels een sleutel zijn tot droogtetolerante maïs
Een internationaal onderzoek onder leiding van de Universiteit van Bonn heeft nu de belangrijke rol van het plantenwortelsysteem in maïs aangetoond, een gewas dat onder zeer verschillende lokale omstandigheden met succes kan groeien.
Voor het onderzoek analyseerden de onderzoekers meer dan 9.000 variëteiten en konden aantonen dat hun wortels aanzienlijk varieerden, afhankelijk van hoe droog de locatie is waar elke variëteit werd gekweekt.
Ook konden ze een belangrijk gen identificeren dat een rol speelt in het aanpassingsvermogen van de plant. Dit gen zou de sleutel kunnen zijn tot de ontwikkeling van maïsvariëteiten die beter bestand zijn tegen de klimaatverandering.
Deze resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Nature Genetics .
Het is een bossige plant met sterk vertakte stengels. Vingerlange oren groeien uit de oksels van hun langwerpige bladeren en ze bestaan allemaal uit een tiental keiharde zaden. Je moet heel goed kijken om verwantschap met een van 's werelds belangrijkste cultuurplanten te herkennen. En toch zijn experts het er allemaal over eens dat het geslacht teosinte de voorouderlijke vorm is van alle moderne maïsvariëteiten.
Boeren in het zuidwesten van Mexico begonnen ruim 9.000 jaar geleden met het selecteren van de nakomelingen van teosinteplanten die de meeste granen en de lekkerste granen produceerden. Moderne maïsgewassen werden in de loop van vele generaties op deze manier verbouwd, en nu wordt maïs op alle continenten verbouwd.
"We weten dat het uiterlijk van de planten in deze periode aanzienlijk is veranderd en dat de kolven bijvoorbeeld veel groter en vruchtbaarder zijn geworden", legt prof. dr. Frank Hochholdinger van het Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) uit. de Universiteit van Bonn.
"Tot nu toe is er echter relatief weinig bekend over hoe het wortelsysteem zich ontwikkelde tijdens deze periode van domesticatie en daarna."
Wortels in papieren sigaren
Dankzij het nieuwe onderzoek is dit nu veranderd. De afgelopen acht jaar hebben de deelnemende onderzoeksgroepen wereldwijd ongeveer 9.000 maïsvariëteiten en 170 teosintevariëteiten onderzocht. De onderzoekers verzamelden zaden en plaatsten deze op speciaal bruin papier, dat vervolgens in de vorm van een sigaar werd gerold en rechtop in smalle glazen bekers werd bewaard.
"Ongeveer 14 dagen na het ontkiemen hebben we het papier uitgerold, zodat we de vroege ontwikkeling van de wortels konden observeren zonder dat er grond aan zat", zegt Hochholdinger.
In samenwerking met een onderzoeksgroep onder leiding van dr. Robert Koller (Forschungszentrum Jülich) bestudeerden de onderzoekers ook de wortelgroei in de bodem. Hiervoor gebruikten ze een methode die beter bekend is uit de geneeskunde:magnetische resonantie beeldvorming.
De resultaten lieten zien hoe de wortelstructuur radicaal is veranderd tijdens de domesticatie van teosinte naar gecultiveerde maïs.
“In de maïsvariëteiten vinden we vaak kort na het ontkiemen rudimentaire wortels – met wel 10 of meer van deze wortels in sommige variëteiten”, legt Dr. Peng Yu uit, hoofd van een Emmy Noether-onderzoeksgroep bij INRES en onlangs aanvaardde het aanbod van een hoogleraarschap aan de TU München. "Dit is niet het geval met teosinte."
Zaailingen geven de zaailingen onder optimale omstandigheden een eerste voordeel:ze zorgen ervoor dat ze zeer snel grote hoeveelheden voedingsstoffen uit de grond kunnen opnemen. "We merkten echter dat een ander type wortel, de zijwortels, eronder te lijden had", zegt Yu.
Zijwortels zijn vooral belangrijk voor de opname van water, omdat ze het worteloppervlak enorm vergroten. Dit is waarschijnlijk de reden waarom het aantal zaadwortels aanzienlijk varieert, afhankelijk van de variëteit:maïsvariëteiten die zich hebben aangepast aan droge omstandigheden, produceren aanzienlijk minder zaadwortels en meer zijwortels. Bij het veredelen van deze variëteiten selecteerden boeren in het verleden onbewust planten die tot de ontwikkeling van deze wortelstructuur hebben geleid.
160 kandidaat-genen geïdentificeerd
De onderzoekers onderzochten ook welk genetisch materiaal verantwoordelijk was voor de groei van zaadwortels en konden ruim 160 kandidaatgenen identificeren. "Vervolgens hebben we een van deze genen, ZmHb77 genaamd, gedetailleerder bestudeerd", zegt Hochholdinger. "We merkten dat planten met dit gen meer rudimentair groeiden en tegelijkertijd minder zijwortels."
De onderzoekers schakelden dit gen bij sommige planten bewust uit en konden de wortelstructuur veranderen, zodat ze periodes van droogte beter konden verdragen. “Dit gen is dus belangrijk voor de veredeling van droogtetolerante rassen”, legt de onderzoeker uit. "Gezien de klimaatverandering zullen deze rassen steeds belangrijker worden als we in de toekomst steeds meer mislukte oogsten willen voorkomen."