トウモロコシ畑の地下で何が起こっているかは見落としがちですが、トウモロコシの根の構造は、水と栄養素の獲得に重要な役割を果たし、干ばつ耐性、水の使用効率、および持続可能性に影響を与える可能性があります. ブリーダーがトウモロコシの根をより急な角度で成長させることができれば、作物は土壌の奥深くにある重要な資源にアクセスできる可能性があります.
その目標に向けた最初のステップは、重力屈性、つまり重力に応じた根の成長に関与する遺伝子を学習することです。 に発表された新しい研究では、 米国科学アカデミー紀要、ウィスコンシン大学の科学者、イリノイ大学の研究者と共同で。 とうもろこしとモデル植物シロイヌナズナで XNUMX つのそのような遺伝子を識別します。
発芽した種子を横向きにすると、一部の根は突然重力に向かって急激に向きを変えますが、他の根は少しゆっくりと向きを変えます。 研究者は、マシン ビジョン手法を使用して、何千もの実生の根の重力屈性の微妙な違いを観察し、そのデータを各実生の遺伝情報と組み合わせました。 その結果、ゲノムにおける重力屈性遺伝子の可能性の高い位置がマッピングされました。
このマップにより、研究者はゲノムの適切な近傍 (数百の遺伝子の領域) にたどり着きましたが、重力屈性の特定の遺伝子を特定するにはまだ長い道のりでした。 幸いなことに、彼らには役立つツールがありました。
「以前に遠縁のシロイヌナズナで同じ実験を行っていたため、両方の種のゲノムの関連領域内の遺伝子を一致させることができました。 フォロー アップ テストでは、根の重力屈性を変更する XNUMX つの遺伝子の同一性が確認されました。 新しい情報は、重力が根系構造をどのように形成するかを理解するのに役立つ可能性があります」と、ウィスコンシン大学植物学科の教授であり、研究の筆頭著者である Edgar Spalding は述べています。
イリノイ大学作物科学科の教授であり、研究の共著者である Matt Hudson 氏は、次のように付け加えています。 . そして私たちは、植物間の進化の違いが私たちに有利に働くようにすることでそれを実現しました。」
とうもろこしとシロイヌナズナは、植物生物学者によって徹底的に記述された小さなマスタードの親戚であり、進化の歴史の中で約150億XNUMX万年離れて進化しました. Hudson は、両方の種が植物の基本的な機能を共有しているが、それらを制御する遺伝子は時間の経過とともにゲノム内でごちゃまぜになっている可能性が高いと説明しています。 これは、共通の遺伝子を絞り込むのに適していることがわかりました。
近縁種では、遺伝子はゲノム内でほぼ同じ順序で並ぶ傾向があります (例: ABCDEF)。 同じ遺伝子が遠縁の種に存在する可能性がありますが、形質がマッピングされる領域の遺伝子の順序は一致しません (例: UGRBZ)。 研究者が各ゲノムのどこを調べるかを特定した後、遺伝子配列のミスマッチにより、共通の遺伝子 (この場合は B) が飛び出しました。
「無関係な植物種のゲノム間隔を比較するだけで、他の方法では見つけることができなかった遺伝子を特定できたことは、非常にクールだと思いました」と Hudson 氏は言います。 「この分析からすぐにそれらが正しい遺伝子であると確信していましたが、Spalding のグループはさらに XNUMX ~ XNUMX 年を費やして、確かな生物学的データを取得し、それらが実際に重力屈性で役割を果たしていることを確認しました. それを行った結果、アプローチ全体が検証され、将来、この方法をさまざまな表現型に使用できるようになったと思います。」
スポルディング氏は、共通の環境で正確な測定が行われたため、この方法はおそらく特に成功したと指摘しています。
「多くの場合、トウモロコシの研究者は、ある分野で関心のある特性を測定しますが、シロイヌナズナの研究者は、成長室で植物を育てる傾向があります」と彼は言います. 「高度に制御された方法で根の重力屈性表現型を測定しました。 これらの種子はペトリ皿で培養され、アッセイはわずか数時間で完了しました。これは、現実の世界で測定される可能性のある形質があらゆる種類の変動にさらされているのとは対照的です。」
共通の環境で特性を測定できる場合でも、すべての特性がこの方法に適しているわけではありません。 研究者は、問題の形質が基本的な植物機能の基本であるべきであると強調し、同じ古代の遺伝子が無関係の種に存在することを保証します。
「重力屈性は、土地の植民地化が成功した後、シュートと根の元の特殊化の鍵となったため、このアプローチを通じて研究するのに特に適している可能性があります」とスポルディングは言います。
ハドソン氏は、重力屈性が別の景観への植民地化の鍵にもなると述べています。
「NASA は、他の惑星や宇宙での作物の栽培に関心を持っており、そのために何を繁殖させる必要があるかを知る必要があります」と彼は言います。 「植物は重力なしではかなり混乱しています。」
記事「トウモロコシとシロイヌナズナ QTL 内のオルソロジーを活用して、重力屈性の自然変動に影響を与える遺伝子を特定する」は、 米国科学アカデミー紀要 [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]。 この研究は、国立科学財団によって資金提供されました。
作物科学科は、イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の農業、消費者、環境科学部にあります。