Что заставляет корни растений расти под действием силы тяжести? Исследование идентифицирует четыре гена

То, что происходит под землей на кукурузном поле, легко не заметить, но архитектура корней кукурузы может играть важную роль в поглощении воды и питательных веществ, влияя на устойчивость к засухе, эффективность использования воды и устойчивость. Если бы селекционеры могли заставить корни кукурузы расти под более крутым углом, культура потенциально могла бы получить доступ к важным ресурсам, находящимся глубже в почве.


Первым шагом к этой цели является изучение генов, участвующих в гравитропизме, росте корней в ответ на гравитацию. В новом исследовании, опубликованном в Труды Национальной академии наук, ученые Университета Висконсина в сотрудничестве с исследователями из Университета Иллинойса. определить четыре таких гена у кукурузы и модельного растения Arabidopsis.

Когда прорастающее семя переворачивают на бок, некоторые корни делают внезапный крутой поворот под действием силы тяжести, в то время как другие поворачиваются немного медленнее. Исследователи использовали методы машинного зрения, чтобы наблюдать тонкие различия в гравитропизме корней у тысяч саженцев, и объединили эти данные с генетической информацией для каждого саженца. В результате были выявлены вероятные положения генов гравитропизма в геноме.

Карта привела исследователей к нужному району генома — участкам из нескольких сотен генов — но они все еще были далеки от определения конкретных генов гравитропизма. К счастью, у них был инструмент, который мог помочь.

«Поскольку ранее мы проводили такой же эксперимент с отдаленно связанным растением Arabidopsis, мы смогли сопоставить гены в соответствующих областях генома обоих видов. Последующие тесты подтвердили идентичность четырех генов, которые модифицируют корневой гравитропизм. информация может помочь нам понять, как гравитация формирует архитектуру корневой системы», — говорит Эдгар Сполдинг, профессор кафедры ботаники Висконсинского университета и ведущий автор исследования.

Мэтт Хадсон, профессор кафедры растениеводства Университета Иллинойса и соавтор исследования, добавляет: «Мы рассмотрели малоизученную особенность кукурузы, которая важна по ряду причин, особенно в контексте изменения климата. … И мы сделали это, заставив эволюционные различия между растениями работать в нашу пользу».

Кукуруза и арабидопсис, маленький родственник горчицы, исчерпывающе описанный биологами растений, эволюционировали с разницей в 150 миллионов лет в истории эволюции. Хадсон объясняет, что хотя оба вида имеют общие основные функции растений, гены, контролирующие их, вероятно, со временем перемешались в геноме. Оказывается, это хорошо для сужения общих генов.

У близкородственных видов гены имеют тенденцию выстраиваться в геноме примерно в одном и том же порядке (например, ABCDEF). Хотя одни и те же гены могут существовать у отдаленно родственных видов, порядок генов в области, с которой картируется признак, не совпадает (например, UGRBZ). После того, как исследователи определили, где искать в каждом геноме, несовпадающие последовательности генов привели к тому, что общие гены (в данном случае B) выскочили наружу.

«Я подумал, что это очень круто, что мы можем идентифицировать гены, которые иначе не обнаружили бы, просто сравнивая геномные интервалы у неродственных видов растений», — говорит Хадсон. «Мы были вполне уверены, что это были правильные гены, когда они выскочили прямо из этого анализа, но затем группа Сполдинга потратила еще семь или восемь лет на получение надежных биологических данных, чтобы подтвердить, что они действительно играют роль в гравитропизме. Сделав это, Я думаю, что мы проверили весь подход, чтобы в будущем вы могли использовать этот метод для многих различных фенотипов».