Naukowcy wykorzystują mutację genetyczną do przyspieszenia procesu rozmnażania roślin

Naukowcy z Iowa State University mogli rozwiązać długotrwałe wyzwanie związane z przyspieszonym rozwojem czystych linii genetycznych.

Wykorzystanie genetyki „podwójnie haploidalnej” (DH) stało się jedną z podstawowych technologii leżących u podstaw współczesnej hodowli kukurydzy. Jednak technologia ciepłownicza wiąże się zarówno z wyzwaniami, jak i zaletami. Po pierwsze, wymaga stworzenia „haploidalnych” roślin, które niosą tylko jeden, matczyny genom. Pojedynczy genom haploidalnej rośliny jest następnie podwajany przez a proces chemiczny który przyspiesza rozwój genetycznie czystych linii wsobnych.

Jednym z głównych wąskich gardeł technologii DH jest to, że haploidalne kwiaty męskie są zwykle sterylne. Ten problem wymaga wystawienia sadzonek na działanie toksycznej substancji chemicznej kolchicyny, która pobudza podwojenie genomu i przywraca płodność męskim kwiatom. Proces jest pracochłonny i kosztowny.

Badania opublikowane niedawno w Natura Rośliny dzieli się wiadomościami o odkrytej przez naukowców mutacji, która przywraca męską płodność haploidom bez użycia kolchicyny. Prace prowadził Siddique I. Aboobucker, naukowiec w dziedzinie agronomii, wraz z Thomasem Lübberstedtem, przewodniczącym katedry agronomii Frey i dyrektorem Centrum Hodowli Roślin im. Raymonda F. Bakera, oraz byłym absolwentem agronomii, Limingiem Zhou.

Wykazali, że wykorzystanie mutacji, które modyfikują położenie mechanizmu wrzeciona podczas fazy rozmnażania roślin zwanej mejozą, może przywrócić męską płodność haploidalnym roślinom.

Mechanizm wrzeciona pomaga utrzymać podział komórek na właściwym torze. Podczas normalnej mejozy, w zwykłych „diploidalnych” roślinach, które zawierają dwa zestawy chromosomów, wrzeciona są ułożone w prostopadłe pary, które łatwo się ustawiają. W roślinach haploidalnych chromosomy są nierównomiernie rozmieszczone podczas podziału komórki, co prowadzi do wysokiego wskaźnika bezpłodności podczas kolejnych faz rozmnażania.

Aby rozwiązać ten problem, Aboobucker miał inspirację, którą zespół uznał za wartą zbadania. Postawili hipotezę, że zestaw nieprawidłowości genetycznych roślin, znanych jako równoległe mutanty wrzeciona lub „mutanty ps”, które zmieniają wrzeciona do pozycji równoległej zamiast prostopadłej podczas mejozy, może poprawić męską płodność haploidów. Przetestowali ten pomysł na Arabidopsis thaliana, modelowej roślinie badawczej, często używanej jako prekursor do pracy w kukurydzy i kilku innych gatunkach roślin uprawnych.

To zadziałało — haploidalne zmutowane rośliny rosły i większość z nich była płodna. Wyniki potwierdzają ich pogląd, że nierówny układ włókien wrzeciona podczas krytycznej fazy mejozy u haploidalnych samców można przezwyciężyć, wykorzystując tendencję mutantów do powodowania bardziej poziomego wrzeciono tworzenie.

„Wykorzystanie tej mutacji do przezwyciężenia problemu męskiej płodności w haploidalnych roślinach jest bardzo obiecujące w przezwyciężeniu protokołów wymagających dużych zasobów, które są obecnie stosowane w metodach sztucznego (chemicznego) podwajania genomu w celu uzyskania linii DH” – powiedział Lübberstedt.

Większość zasług przypisuje Aboobuckerowi, który kierował projektem mającym na celu znalezienie rozwiązania tej długotrwałej zagadki męskiej niepłodności haploidalnej.

„Zaczynam zdawać sobie sprawę, że to wielka sprawa” – powiedział Aboobucker. „Odpowiedzi kolegów z całego świata od czasu opublikowania naszego artykułu w zeszłym miesiącu były nieco przytłaczające”.

Lübberstedt i Aboobucker uważają, że korzystne mutacje, które zidentyfikowali, można zastosować – z pewnymi modyfikacjami – do kukurydzy i innych upraw. Eksploracja tego potencjału to jeden z kolejnych projektów na ich horyzoncie.