Wetenschap
Genzoekers ontdekken atypische genen die meerdere waardevolle eigenschappen van sojabonen controleren
Een team onder leiding van sojabonengeneticus Jianxin Ma van de Purdue University heeft een nieuw biotechnologisch hulpmiddel ontwikkeld voor de domesticatie van gewenste eigenschappen van wilde sojabonen, zoals resistentie tegen sprinkhaaninsecten. Het gebruik van dergelijke hulpmiddelen, de novo domesticatie genoemd, maakt het voor wetenschappers gemakkelijker om gewasverbeteringen uit wilde sojabonen te bewerkstelligen.
"Het temmen van een speciaal gewas van zijn wilde voorloper kostte oude boeren duizenden jaren. Nu duurt het misschien maar een paar jaar", zegt Ma, hoogleraar agronomie en de Indiana Soybean Alliance Endowed Chair in Soybean Improvement. Met behulp van verwanten van wilde sojabonen kunnen wetenschappers methoden voor het bewerken van genen gebruiken om genen te modificeren, waardoor nieuwe variëteiten ontstaan die geschikter zijn voor de landbouwproductie.
Dit wordt mogelijk gemaakt door de ontdekking van twee lange niet-coderende RNA-genen (lncRNA) met een ongebruikelijke eigenschap. De genen delen dezelfde genetische locus:ze zitten naast elkaar op hetzelfde chromosoom. Maar deze genen controleren meerdere eigenschappen. Over het algemeen bestuurt één gen één eigenschap.
Ma en twaalf co-auteurs van Purdue en andere instellingen in de VS en China rapporteerden hun resultaten in Nature Genetics . Het onderzoek identificeert de eerste lange niet-coderende RNA-genen in welke gedomesticeerde plant- of diersoort dan ook waarop menselijke selectie kan worden gericht.
Co-auteur Blake Meyers van de Universiteit van Californië, Davis, benadrukte hoe het werk verschillende benaderingen en ontdekkingen met betrekking tot lncRNA integreerde.
"Het gebruik van een meer traditionele aanpak voor het in kaart brengen van agronomische eigenschappen van sojabonen heeft geleid tot de ontdekking van een enkele, gedeelde moleculaire basis. De eigenschappen zijn divers en omvatten de blad- en stengelgrootte, maar ook insectenresistentie", zegt Meyers, een Distinguished Professor of Plant Sciences bij UC Davis.
‘Het blijkt dat deze eigenschappen op een ongebruikelijke manier worden gereguleerd, door genen die, in tegenstelling tot de meeste genen, geen eiwit lijken te produceren, maar in plaats daarvan lange, niet-coderende RNA’s produceren. aan de evolutionaire opkomst van deze unieke genetische locus", aldus Meyers.
Co-auteur Randall Nelson, emeritus hoogleraar sojaveredeling aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, prees de synergie tussen onderzoeksprogramma's die resultaten opleverden die waarschijnlijk niet individueel zouden zijn bereikt.
"Mijn programma is grotendeels op het veld gebaseerd en we hebben een unieke populatie lijnen ontwikkeld uit een kruising tussen sojabonen en wilde sojabonen om genen in kaart te brengen die verband houden met domesticatie. Het laboratorium van Jianxin was in staat deze lijnen op creatieve wijze te gebruiken om nieuwe genetische controle van grote verschillen tussen sojabonen te identificeren en wilde sojabonen," zei Nelson.
"Deze resultaten dragen niet alleen bij aan ons begrip van alternatieve vormen van genetische controle, maar dragen ook bij aan ons begrip van domesticatie", zei hij. "In de toekomst zullen deze resultaten helpen bij het benutten van de onaangeboorde genetische diversiteit van wilde sojabonen."
Oude boeren hebben eeuwen geleden de wijdverspreide moderne variant van sojabonen gedomesticeerd, genaamd Glycine max, van Glycine soja, een wilde soort. De nieuw ontdekte lncRNA-genen komen in hoge mate tot expressie in wilde sojabonen.
“Hoog uitgedrukt betekent dat ze meer kopieën kunnen maken van messenger-RNA met specifieke structuren om meer kopieën van klein RNA te produceren, wat de expressie remt van verschillende eiwitcoderende genen die ten grondslag liggen aan deze domesticatie-gerelateerde eigenschappen. Maar die twee genen komen slecht tot expressie in gecultiveerde sojabonen, ' zei mama. "Ze zijn functioneel in wilde sojabonen, maar nu niet meer in gecultiveerde sojabonen omdat er van nature een mutatie heeft plaatsgevonden."
Wilde sojabonen hebben kleine zaadjes, bloemen en bladeren. Alles wordt groter in gecultiveerde sojabonen. De geslachtsrijpe vorm van gecultiveerde sojabonen heeft ook langere stengels en bladeren in vormen die weerstand bieden tegen insectenplagen zoals sprinkhanen.
Bij de domesticatie van gewassen selecteren boeren planten om hun geschiktheid voor menselijke behoeften te vergroten. Ze zoeken naar eigenschappen zoals smaak en planten met grotere en meer zaden die tot een hogere opbrengst leiden. Het domesticatieproces vermindert echter de genetische diversiteit, de basis van de moderne veredeling.
Moderne gedomesticeerde sojabonen lijden onder deze verminderde genetische diversiteit, waardoor er nieuwe urgentie ontstaat bij het begrijpen van de bredere genetische diversiteit van wilde soorten. Met kennis van de genen die verantwoordelijk zijn voor verschillende eigenschappen kunnen genetici van sojabonen moleculaire methoden gebruiken om deze te integreren in nieuwe gedomesticeerde variëteiten.
Technologie voor het bewerken van genen vergroot hun vermogen om fundamenteel onderzoek te vertalen naar de ontwikkeling van nieuwe sojabonenvariëteiten met bijvoorbeeld een verbeterde zaadsamenstelling, voedingseigenschappen, oliegehalte, eiwitten en essentiële aminozuren.
"Wij beschouwen ons team als genenzoekers om genetische variatie te vinden voor het fokken van betere sojabonen voor boeren in Indiana en in het hele land," zei Ma. "Ons laboratorium en collega's hebben eerder verschillende genen geïdentificeerd die ten grondslag liggen aan andere domesticatie-gerelateerde eigenschappen. Deze verzamelde kennis heeft de novo domesticatie van wilde sojabonen en zijn verwanten haalbaar gemaakt."