Что заставляет корни растений расти в сторону гравитации? Исследование выявило четыре гена
Архитектура корневой системы кукурузы играет важную роль в поглощении воды и питательных веществ, влияя на засухоустойчивость и эффективность использования воды. Если бы селекционеры могли заставить корни расти под более крутым углом вниз, культура могла бы получать ресурсы из более глубоких слоев почвы.
Первый шаг к этой цели — изучение генов, участвующих в гравитропизме (росте корней в ответ на силу тяжести). В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Университета Висконсина в сотрудничестве с исследователями из Университета Иллинойса идентифицировали четыре таких гена у кукурузы и модельного растения Arabidopsis.
Когда проросток поворачивают на бок, одни корни совершают резкий крутой поворот к силе тяжести, а другие — немного медленнее. Исследователи использовали методы машинного зрения, чтобы наблюдать тонкие различия в гравитропизме корней у тысяч проростков, и объединили эти данные с генетической информацией для каждого растения. Результатом стала карта вероятного расположения генов гравитропизма в геноме.
Карта привела ученых к нужному "району" в геноме — областям в несколько сотен генов, — но до идентификации конкретных генов было еще далеко. К счастью, у них был инструмент, который мог помочь.
"Поскольку мы ранее проводили тот же эксперимент с эволюционно далекой Arabidopsis, мы смогли сопоставить гены в соответствующих областях генома обоих видов. Последующие тесты подтвердили идентичность четырех генов, влияющих на гравитропизм корней", — говорит Эдгар Сполдинг, ведущий автор исследования.
Кукуруза и Arabidopsis (маленький родственник горчицы) разделены примерно 150 миллионами лет эволюции. Хотя оба вида имеют общие базовые функции, гены, контролирующие их, за это время, вероятно, перемешались в геноме. Это оказалось преимуществом для поиска общих генов.
У близкородственных видов гены, как правило, выстроены в примерно одном порядке (например, ABCDEF). У далеких видов порядок генов в интересующей области не совпадает (например, UGRBZ). После того как исследователи определили, где искать в каждом геноме, несовпадающие последовательности генов позволили выделить общие гены (в данном случае B).
"Мы были уверены, что нашли нужные гены, когда они "выскочили" из этого анализа, но группа Сполдинга затем потратила еще семь-восемь лет на получение биологических данных, чтобы подтвердить их роль в гравитропизме", — отмечает соавтор исследования Мэтт Хадсон.
Сполдинг отмечает, что метод, вероятно, был особенно успешным благодаря точным измерениям в контролируемой среде (в чашках Петри в течение нескольких часов), а не в полевых условиях с множеством переменных.
Исследователи подчеркивают, что для этого метода подходят признаки, фундаментальные для базовых функций растения, что гарантирует наличие одних и тех же древних генов у неродственных видов.
"Гравитропизм, возможно, особенно удобен для изучения этим подходом, потому что он был ключевым для первоначальной специализации побегов и корней после успешной колонизации суши", — говорит Сполдинг.
Хадсон добавляет, что гравитропизм также будет ключевым для колонизации другого ландшафта: NASA интересуется выращиванием культур на других планетах или в космосе, и им нужно знать, какие признаки для этого потребуется отбирать.