옥수수 밭에서 지하에서 일어나는 일은 간과하기 쉽지만 옥수수 뿌리 구조는 가뭄 내성, 물 사용 효율성 및 지속 가능성에 영향을 미치는 물과 영양소 획득에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 육종가가 옥수수 뿌리가 더 가파른 각도로 자라도록 장려할 수 있다면 작물은 잠재적으로 토양 깊숙한 곳에서 중요한 자원에 접근할 수 있습니다.
그 목표를 향한 첫 번째 단계는 중력에 반응하여 뿌리가 자라는 중력과 관련된 유전자를 배우는 것입니다. 에 발표된 새로운 연구에서 과학 국립 아카데미의 절차, 위스콘신 대학교 과학자들, 일리노이 대학교 연구원들과 공동으로. 옥수수와 모델 식물 Arabidopsis에서 XNUMX개의 그러한 유전자를 확인하십시오.
발아하는 씨앗을 옆으로 돌릴 때 어떤 뿌리는 중력 쪽으로 갑자기 가파르게 회전하는 반면, 다른 뿌리는 조금 더 천천히 회전합니다. 연구자들은 머신 비전 방법을 사용하여 수천 개의 묘목에서 뿌리 중력의 미묘한 차이를 관찰하고 해당 데이터를 각 묘목에 대한 유전 정보와 결합했습니다. 결과는 게놈에서 중력성 유전자의 가능한 위치를 매핑했습니다.
지도는 연구자들을 게놈의 올바른 이웃(수백 개 유전자의 영역)으로 안내했지만 중력에 대한 특정 유전자를 식별하는 데는 아직 멀었습니다. 다행히도 그들은 도움이 될 수 있는 도구를 가지고 있었습니다.
"우리는 이전에 멀리 떨어진 애기장대 식물에 대해 동일한 실험을 수행했기 때문에 두 종의 게놈 관련 영역 내에서 유전자를 일치시킬 수 있었습니다. 후속 테스트를 통해 뿌리 중력성을 수정하는 XNUMX가지 유전자의 정체가 확인되었습니다. 새로운 정보는 중력이 루트 시스템 아키텍처를 형성하는 방법을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
일리노이 대학의 작물과학과 교수이자 연구 공동 저자인 Matt Hudson은 다음과 같이 덧붙였습니다. . 그리고 우리는 식물 간의 진화적 차이가 우리에게 유리하게 작용하도록 함으로써 그것을 했습니다.”
식물 생물학자들에 의해 철저하게 기술된 작은 겨자 친척인 옥수수와 애기장대(Arabidopsis)는 진화 역사에서 약 150억 XNUMX천만 년 차이로 진화했습니다. Hudson은 두 종 모두 기본적인 식물 기능을 공유하지만, 이를 제어하는 유전자는 시간이 지남에 따라 게놈 내에서 뒤죽박죽일 가능성이 있다고 설명합니다. 그것은 공통 유전자를 좁히는 데 좋은 것으로 밝혀졌습니다.
밀접하게 관련된 종에서 유전자는 게놈에서 거의 동일한 순서로 정렬되는 경향이 있습니다(예: ABCDEF). 멀리 떨어진 관련 종에 동일한 유전자가 존재할 수 있지만 특성이 매핑되는 지역의 유전자 순서는 일치하지 않습니다(예: UGRBZ). 연구자들이 각 게놈에서 볼 위치를 확인한 후, 그렇지 않으면 일치하지 않는 유전자 서열로 인해 공통 유전자(이 경우 B)가 튀어나옵니다.
Hudson은 "관련이 없는 식물 종의 게놈 간격을 비교하는 것만으로는 발견하지 못했을 유전자를 식별할 수 있다는 것이 정말 멋지다고 생각했습니다."라고 말합니다. “우리는 이 분석에서 나온 유전자가 올바른 유전자라고 확신했지만, Spalding의 그룹은 그 후 XNUMX~XNUMX년 동안 확실한 생물학적 데이터를 확보하여 중력에 중요한 역할을 하는지 확인했습니다. 그렇게 함으로써 미래에 이 방법을 다양한 표현형에 사용할 수 있도록 전체 접근 방식을 검증했다고 생각합니다.”
Spalding은 일반적인 환경에서 정확한 측정이 이루어졌기 때문에 이 방법이 특히 성공적이었을 것이라고 말합니다.
"종종 옥수수 연구원은 밭에서 관심 있는 특성을 측정하는 반면 Arabidopsis 연구원은 성장실에서 식물을 키우는 경향이 있습니다."라고 그는 말합니다. “우리는 고도로 통제된 방식으로 뿌리 중력 표현형을 측정했습니다. 이 종자는 페트리 플레이트에서 재배되었으며 모든 종류의 가변성에 열려 있는 실제 세계에서 측정할 수 있는 특성과 달리 분석은 단 몇 시간 동안 지속되었습니다."
공통 환경에서 특성을 측정할 수 있는 경우에도 모든 특성이 이 방법의 좋은 후보가 되지는 않습니다. 연구자들은 문제의 형질이 기본 식물 기능에 기본적이어야 하며, 관련 없는 종에도 동일한 고대 유전자가 존재하도록 해야 한다고 강조합니다.
Spalding은 "Gravitropism은 성공적인 토지 식민지화 후 새싹과 뿌리의 원래 전문화에 핵심이었을 것이기 때문에 이 접근 방식을 통해 연구하기에 특히 적합할 수 있습니다."라고 말합니다.
Hudson은 중력이 다른 경관의 식민지화의 열쇠가 될 것이라고 지적합니다.
"NASA는 다른 행성이나 우주에서 작물을 재배하는 데 관심이 있으며 그렇게 하려면 무엇을 위해 번식해야 하는지 알아야 합니다."라고 그는 말합니다. "식물은 중력 없이 꽤 복잡합니다."
"옥수수와 애기장대 QTL 내의 정형학을 활용하여 중력의 자연적 변이에 영향을 미치는 유전자를 식별합니다."라는 기사가 저널에 발표되었습니다. 과학 국립 아카데미의 절차 [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. 이 연구는 국립과학재단의 지원을 받았습니다.
작물과학과는 University of Illinois Urbana-Champaign의 농업, 소비자 및 환경 과학 대학에 있습니다.