Αυτό που συμβαίνει κάτω από το έδαφος σε ένα χωράφι με καλαμπόκι είναι εύκολο να παραβλεφθεί, αλλά η αρχιτεκτονική της ρίζας του καλαμποκιού μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην απόκτηση νερού και θρεπτικών συστατικών, επηρεάζοντας την ανοχή στην ξηρασία, την αποδοτικότητα χρήσης του νερού και τη βιωσιμότητα. Εάν οι κτηνοτρόφοι μπορούσαν να ενθαρρύνουν τις ρίζες του καλαμποκιού να αναπτυχθούν σε πιο απότομη γωνία, η καλλιέργεια θα μπορούσε ενδεχομένως να έχει πρόσβαση σε σημαντικούς πόρους βαθύτερα στο έδαφος.
Ένα πρώτο βήμα προς αυτόν τον στόχο είναι η εκμάθηση των γονιδίων που εμπλέκονται στον βαρυτροπισμό, την ανάπτυξη των ριζών ως απάντηση στη βαρύτητα. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν, σε συνεργασία με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις. αναγνωρίσει τέσσερα τέτοια γονίδια στο καλαμπόκι και το πρότυπο φυτό Arabidopsis.
Όταν ένας σπόρος που βλασταίνει γυρίζει στο πλάι του, ορισμένες ρίζες κάνουν μια ξαφνική, απότομη στροφή προς τη βαρύτητα, ενώ άλλες γυρίζουν ένα κλάσμα πιο αργά. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μεθόδους μηχανικής όρασης για να παρατηρήσουν ανεπαίσθητες διαφορές στον βαρυτροπισμό των ριζών σε χιλιάδες φυτά και συνδύασαν αυτά τα δεδομένα με γενετικές πληροφορίες για κάθε σπορόφυτο. Το αποτέλεσμα χαρτογράφησε τις πιθανές θέσεις των γονιδίων βαρυτροπισμού στο γονιδίωμα.
Ο χάρτης οδήγησε τους ερευνητές στη σωστή γειτονιά στο γονιδίωμα - περιοχές με μερικές εκατοντάδες γονίδια - αλλά απείχαν ακόμη πολύ μακριά από τον εντοπισμό συγκεκριμένων γονιδίων για τον βαρυτροπισμό. Ευτυχώς, είχαν ένα εργαλείο που θα μπορούσε να βοηθήσει.
«Επειδή προηγουμένως είχαμε πραγματοποιήσει το ίδιο πείραμα με το φυτό Arabidopsis που σχετίζεται από απόσταση, μπορέσαμε να ταιριάξουμε γονίδια στις σχετικές περιοχές του γονιδιώματος και στα δύο είδη. Οι δοκιμές παρακολούθησης επαλήθευσαν την ταυτότητα τεσσάρων γονιδίων που τροποποιούν τον βαρυτροπισμό της ρίζας. Οι νέες πληροφορίες θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε πώς η βαρύτητα διαμορφώνει τις αρχιτεκτονικές των ριζικών συστημάτων», λέει ο Edgar Spalding, καθηγητής στο Τμήμα Βοτανικής στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Ο Matt Hudson, καθηγητής στο Τμήμα Επιστημών των Καλλιεργειών στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και συν-συγγραφέας της μελέτης, προσθέτει, «Εξετάσαμε ένα ελάχιστα ερευνημένο χαρακτηριστικό στον αραβόσιτο που είναι σημαντικό για διάφορους λόγους, ειδικά στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής . Και το κάναμε κάνοντας τις εξελικτικές διαφορές μεταξύ των φυτών να λειτουργήσουν υπέρ μας».
Το καλαμπόκι και το Arabidopsis, μια μικρή συγγενής μουστάρδας που περιγράφεται εξαντλητικά από φυτοβιολόγους, εξελίχθηκαν με διαφορά περίπου 150 εκατομμυρίων ετών στην εξελικτική ιστορία. Ο Hudson εξηγεί ότι παρόλο που και τα δύο είδη μοιράζονται βασικές φυτικές λειτουργίες, τα γονίδια που τα ελέγχουν πιθανότατα έχουν ανακατευτεί μέσα στο γονιδίωμα με την πάροδο του χρόνου. Αυτό αποδεικνύεται ότι είναι καλό για τον περιορισμό των κοινών γονιδίων.
Σε στενά συγγενικά είδη, τα γονίδια τείνουν να παρατάσσονται με την ίδια περίπου σειρά στο γονιδίωμα (π.χ. ABCDEF). Αν και τα ίδια γονίδια μπορεί να υπάρχουν σε απομακρυσμένα συγγενικά είδη, η σειρά των γονιδίων στην περιοχή στην οποία χαρτογραφείται το χαρακτηριστικό δεν ταιριάζει (π.χ. UGRBZ). Αφού οι ερευνητές εντόπισαν πού να κοιτάξουν σε κάθε γονιδίωμα, οι κατά τα άλλα αταίριαστες αλληλουχίες γονιδίων έκαναν τα κοινά γονίδια (σε αυτή την περίπτωση Β) να εμφανιστούν.
«Νόμιζα ότι ήταν πολύ ωραίο να μπορούσαμε να αναγνωρίσουμε γονίδια που δεν θα βρίσκαμε διαφορετικά συγκρίνοντας γονιδιωματικά διαστήματα σε μη συγγενικά είδη φυτών», λέει ο Hudson. «Ήμασταν αρκετά σίγουροι ότι ήταν τα σωστά γονίδια όταν βγήκαν αμέσως από αυτήν την ανάλυση, αλλά η ομάδα του Spalding πέρασε στη συνέχεια άλλα επτά ή οκτώ χρόνια για να συλλέξει σταθερά βιολογικά δεδομένα για να επαληθεύσει ότι όντως παίζουν ρόλο στον βαρυτροπισμό. Έχοντας κάνει αυτό, νομίζω ότι έχουμε επικυρώσει την όλη προσέγγιση έτσι ώστε στο μέλλον να μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτήν τη μέθοδο για πολλούς διαφορετικούς φαινότυπους.»
Ο Spalding σημειώνει ότι η μέθοδος ήταν πιθανώς ιδιαίτερα επιτυχημένη επειδή έγιναν ακριβείς μετρήσεις σε ένα κοινό περιβάλλον.
«Συχνά, οι ερευνητές του καλαμποκιού μετρούν τα χαρακτηριστικά ενδιαφέροντός τους σε ένα χωράφι, ενώ οι ερευνητές του Arabidopsis τείνουν να εκτρέφουν τα φυτά τους σε θαλάμους ανάπτυξης», λέει. «Μετρήσαμε τον φαινότυπο του βαρυτροπισμού της ρίζας με εξαιρετικά ελεγχόμενο τρόπο. Αυτοί οι σπόροι αναπτύχθηκαν σε μια πλάκα petri και η ανάλυση διήρκεσε λίγες ώρες, σε αντίθεση με τα χαρακτηριστικά που μπορεί να μετρήσετε στον πραγματικό κόσμο και είναι ανοιχτά σε κάθε είδους μεταβλητές.»
Ακόμη και όταν τα χαρακτηριστικά μπορούν να μετρηθούν σε ένα κοινό περιβάλλον, δεν είναι όλα τα χαρακτηριστικά καλοί υποψήφιοι για αυτήν τη μέθοδο. Οι ερευνητές τονίζουν ότι τα εν λόγω χαρακτηριστικά πρέπει να είναι θεμελιώδη για τη βασική λειτουργία των φυτών, διασφαλίζοντας ότι τα ίδια αρχαία γονίδια υπάρχουν σε μη συγγενικά είδη.
«Ο βαρυτροπισμός μπορεί να είναι ιδιαίτερα επιδεκτικός να μελετηθεί μέσω αυτής της προσέγγισης, επειδή θα ήταν το κλειδί για την αρχική εξειδίκευση των βλαστών και των ριζών μετά τον επιτυχημένο αποικισμό της γης», λέει ο Spalding.
Ο Hudson σημειώνει ότι ο βαρυτροπισμός θα είναι επίσης το κλειδί για τον αποικισμό ενός διαφορετικού τοπίου.
«Η NASA ενδιαφέρεται να καλλιεργήσει καλλιέργειες σε άλλους πλανήτες ή στο διάστημα και πρέπει να γνωρίζει τι θα έπρεπε να εκτρέφεις για να το κάνεις αυτό», λέει. «Τα φυτά είναι αρκετά διαλυμένα χωρίς βαρύτητα».
Το άρθρο, «Μόχλευση της ορθολογίας εντός του καλαμποκιού και του Arabidopsis QTL για τον εντοπισμό γονιδίων που επηρεάζουν τη φυσική διακύμανση στον βαρυτροπισμό», δημοσιεύεται στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.
Το Τμήμα Επιστημών Καλλιεργειών είναι στο Κολέγιο Γεωργικών, Καταναλωτικών και Περιβαλλοντικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign.
Μια πηγή: https://www.sciencedaily.com