玉米田地下发生的事情很容易被忽视,但玉米根系结构可以在水分和养分的获取中发挥重要作用,影响耐旱性、水分利用效率和可持续性。 如果育种者可以鼓励玉米根部以更陡峭的角度向下生长,那么这种作物就有可能获得土壤深处的重要资源。
朝着这个目标迈出的第一步是学习与重力有关的基因,即根系在重力作用下的生长。 在发表于 诉讼中的国家科学院院士,威斯康星大学的科学家,与伊利诺伊大学的研究人员合作。 在玉米和模式植物拟南芥中鉴定出四个这样的基因。
当发芽的种子侧翻时,一些根部会突然、陡峭地转向重力,而另一些根部会更慢地转动一小部分。 研究人员使用机器视觉方法观察了数千株幼苗根向地性的细微差异,并将这些数据与每株幼苗的遗传信息相结合。 结果绘制了基因组中向地性基因的可能位置。
这张地图让研究人员找到了基因组中正确的区域——几百个基因的区域——但他们距离确定特定的向地性基因还有很长的路要走。 幸运的是,他们有一个可以提供帮助的工具。
“因为我们之前对远缘的拟南芥植物进行了相同的实验,所以我们能够匹配两个物种基因组相关区域内的基因。 后续测试验证了改变根向地性的四个基因的身份。 新信息可以帮助我们了解重力如何塑造根系架构,”威斯康星大学植物系教授、该研究的主要作者 Edgar Spalding 说。
伊利诺伊大学作物科学系教授、研究合著者马特哈德森补充说:“我们研究了玉米中一个研究不足的性状,该性状由于多种原因很重要,尤其是在气候变化的背景下. 我们通过使植物之间的进化差异对我们有利来做到这一点。”
玉米和拟南芥是植物生物学家详尽描述的一种小型芥菜近缘种,在进化史上相距约 150 亿年。 哈德森解释说,虽然这两个物种共享基本的植物功能,但随着时间的推移,控制它们的基因很可能在基因组中混杂在一起。 事实证明,这对于缩小共同基因范围是件好事。
在密切相关的物种中,基因倾向于在基因组中以大致相同的顺序排列(例如,ABCDEF)。 尽管相同的基因可能存在于远亲物种中,但特征映射到的区域中的基因顺序不匹配(例如,UGRBZ)。 在研究人员确定了在每个基因组中查找的位置后,原本不匹配的基因序列使共同基因(在本例中为 B)突然出现。
“我认为我们可以通过比较不相关植物物种的基因组间隔来识别我们不会发现的基因,这非常酷,”哈德森说。 “当他们从这项分析中突然出现时,我们非常有信心它们是正确的基因,但斯伯丁的小组随后又花了七八年时间获得可靠的生物学数据,以证实它们确实在向地引力中发挥作用。 这样做之后,我认为我们已经验证了整个方法,以便将来您可以将这种方法用于许多不同的表型。”
Spalding 指出,这种方法可能特别成功,因为精确测量是在共同环境中进行的。
“通常,玉米研究人员会在田间测量他们感兴趣的特性,而拟南芥研究人员倾向于在生长室中培养他们的植物,”他说。 “我们以高度可控的方式测量了根向地性表型。 这些种子是在培养皿上生长的,试验只持续了几个小时,而不是你可能在现实世界中测量的对各种可变性开放的特征。”
即使可以在通用环境中测量特征,也不是所有特征都适合这种方法。 研究人员强调,所讨论的特征应该是植物基本功能的基础,确保相同的古老基因存在于不相关的物种中。
“通过这种方法研究向地性可能特别容易,因为它可能是土地成功殖民化后芽和根的原始专业化的关键,”斯伯丁说。
哈德森指出,地心引力也将是殖民不同景观的关键。
“美国宇航局对在其他行星或太空种植农作物很感兴趣,他们需要知道你必须为做到这一点而培育什么,”他说。 “植物在没有重力的情况下非常混乱。”
文章“利用玉米和拟南芥 QTL 中的直系学来识别影响向地性自然变异的基因”发表在 诉讼中的国家科学院院士 [DOI:10.1073/pnas.2212199119]。 该研究由美国国家科学基金会资助。
作物科学系位于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的农业、消费者和环境科学学院。