من السهل التغاضي عن ما يحدث تحت الأرض في حقل الذرة ، لكن هندسة جذور الذرة يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في الحصول على المياه والمغذيات ، مما يؤثر على تحمل الجفاف ، وكفاءة استخدام المياه ، والاستدامة. إذا استطاع المربون تشجيع جذور الذرة على النمو بزاوية أكثر انحدارًا ، فمن المحتمل أن يصل المحصول إلى موارد مهمة في عمق التربة.
الخطوة الأولى نحو هذا الهدف هي تعلم الجينات المشاركة في الجاذبية ، ونمو الجذور استجابة للجاذبية. في دراسة جديدة نشرت في وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم، علماء جامعة ويسكونسن ، بالتعاون مع باحثين في جامعة إلينوي. التعرف على أربعة من هذه الجينات في الذرة ونبات نبات الأرابيدوبسيس النموذجي.
عندما تنقلب البذور النابتة على جانبها ، فإن بعض الجذور تتحول بشكل مفاجئ وحاد نحو الجاذبية ، بينما يتحول البعض الآخر إلى جزء أبطأ. استخدم الباحثون طرق رؤية الآلة لملاحظة الاختلافات الطفيفة في الجاذبية الجذرية في آلاف الشتلات ودمجوا تلك البيانات مع المعلومات الجينية لكل شتلة. حددت النتيجة المواقع المحتملة لجينات الجاذبية في الجينوم.
لقد أوصلت الخريطة الباحثين إلى الجوار الصحيح في الجينوم - مناطق بضع مئات من الجينات - لكنهم ما زالوا بعيدين عن تحديد جينات معينة للجاذبية. لحسن الحظ ، كان لديهم أداة يمكن أن تساعد.
"نظرًا لأننا أجرينا سابقًا نفس التجربة مع نبات الأرابيدوبسيس ذي الصلة البعيدة ، فقد تمكنا من مطابقة الجينات داخل المناطق ذات الصلة من الجينوم في كلا النوعين. تحققت اختبارات المتابعة من هوية أربعة جينات تعدل الجاذبية الجذرية. يقول إدغار سبالدينج ، الأستاذ في قسم علم النبات في جامعة ويسكونسن والمؤلف الرئيسي للدراسة ، "يمكن أن تساعدنا المعلومات الجديدة في فهم كيفية تشكيل الجاذبية لهياكل نظام الجذر".
يضيف مات هدسون ، الأستاذ في قسم علوم المحاصيل في جامعة إلينوي والمؤلف المشارك للدراسة ، "لقد بحثنا في سمة لم يتم بحثها جيدًا في الذرة والتي تعد مهمة لعدد من الأسباب ، لا سيما في سياق تغير المناخ . وقد فعلنا ذلك من خلال جعل الاختلافات التطورية بين النباتات تعمل لصالحنا ".
تطورت الذرة والأرابيدوبسيس ، وهو نوع صغير من الخردل تم وصفه بشكل شامل من قبل علماء الأحياء النباتية ، بحوالي 150 مليون سنة في التاريخ التطوري. يوضح هدسون أنه على الرغم من أن كلا النوعين يشتركان في وظائف النبات الأساسية ، فمن المحتمل أن الجينات التي تتحكم فيهما قد اختلطت داخل الجينوم بمرور الوقت. تبين أن هذا أمر جيد لتضييق نطاق الجينات الشائعة.
في الأنواع وثيقة الصلة ، تميل الجينات إلى الاصطفاف في نفس الترتيب تقريبًا في الجينوم (على سبيل المثال ، ABCDEF). على الرغم من أن نفس الجينات قد توجد في الأنواع ذات الصلة البعيدة ، إلا أن ترتيب الجينات في المنطقة التي خرائط السمات لا تتطابق (على سبيل المثال ، UGRBZ). بعد أن حدد الباحثون مكان البحث في كل جينوم ، أدت التسلسلات الجينية غير المتطابقة بخلاف ذلك إلى ظهور الجينات الشائعة (في هذه الحالة ب).
يقول هدسون: "اعتقدت أنه من الرائع جدًا أن نتمكن من تحديد الجينات التي لم نكن لنجدها بخلاف ذلك فقط من خلال مقارنة الفترات الجينومية في أنواع نباتية غير مرتبطة". "كنا واثقين تمامًا من أنهم كانوا الجينات الصحيحة عندما خرجوا مباشرة من هذا التحليل ، لكن مجموعة سبالدينج قضت بعد ذلك سبع أو ثماني سنوات أخرى في الحصول على بيانات بيولوجية قوية للتحقق من أنها تلعب بالفعل دورًا في الجاذبية. بعد القيام بذلك ، أعتقد أننا تحققنا من صحة النهج بأكمله بحيث يمكنك في المستقبل استخدام هذه الطريقة للعديد من الأنماط الظاهرية المختلفة ".
يلاحظ سبالدينج أن الطريقة ربما كانت ناجحة بشكل خاص لأن القياسات الدقيقة أجريت في بيئة مشتركة.
يقول: "غالبًا ما يقيس باحثو الذرة سمات اهتمامهم في مجال ما ، بينما يميل باحثو أرابيدوبسيس إلى تربية نباتاتهم في غرف النمو". "قمنا بقياس النمط الظاهري لجاذبية الجذر بطريقة مضبوطة للغاية. نمت هذه البذور على طبق بتري ، واستمر الفحص لساعات فقط ، على عكس السمات التي قد تقيسها في العالم الحقيقي والمفتوحة لجميع أنواع المتغيرات ".
حتى عندما يمكن قياس السمات في بيئة مشتركة ، لا تكون كل السمات مرشحة جيدة لهذه الطريقة. يؤكد الباحثون أن السمات المعنية يجب أن تكون أساسية لوظيفة النبات الأساسية ، مما يضمن وجود نفس الجينات القديمة في الأنواع غير ذات الصلة.
يقول سبالدينج: "قد يكون اتجاه الجاذبية قابلاً للدراسة بشكل خاص من خلال هذا النهج لأنه كان من الممكن أن يكون مفتاحًا للتخصص الأصلي للبراعم والجذور بعد الاستعمار الناجح للأرض".
يلاحظ هدسون أن الجاذبية ستكون مفتاحًا لاستعمار المناظر الطبيعية المختلفة أيضًا.
يقول: "ناسا مهتمة بزراعة المحاصيل على الكواكب الأخرى أو في الفضاء وهم بحاجة إلى معرفة ما يجب أن تتكاثر من أجله للقيام بذلك". "النباتات إلى حد كبير غير ممزقة بدون جاذبية."
المقالة ، "الاستفادة من تقويم العظام داخل الذرة وأرابيدوبسيس QTL لتحديد الجينات التي تؤثر على التباين الطبيعي في الجاذبية" ، تم نشره في وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم [DOI: 10.1073 / pnas.2212199119]. تم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية.
يقع قسم علوم المحاصيل في كلية العلوم الزراعية والمستهلكة والبيئية في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين.