Группа ученых во главе с генетиком кукурузы из Университета Миссури Паулой Макстин идентифицировала ген, необходимый для формирования початков у кукурузы.
Новое исследование, опубликованное в журнале Molecular Plant, расширяет понимание биологии того, как развиваются различные части растений кукурузы, что является важной информацией для культуры, которая является основой глобального продовольственного снабжения.
Кукуруза является жизненно важной культурой, а початки являются наиболее важным органом для получения урожая. Знание генов, которые контролируют этот процесс, и того, как они функционируют вместе на молекулярном уровне, имеет решающее значение для повышения урожайности, - сказал Макстин, адъюнкт-профессор биологических наук в Колледже искусств и наук и главный исследователь Кристофера С. Центр наук о жизни Бонда. «Информация, которую мы получаем из кукурузы, вероятно, применима и к другим злакам, включая рис и пшеницу, потому что они также образуют зерна на ветвях».
Исследователи обнаружили, что ген, называемый бесплодным стеблем2, или ba2, влияет на развитие пазушных меристем, особых клеток, дающих начало ушам. По мере роста растения кукурузы эти клетки образуются в узлах вдоль стебля. Эти узлы выглядят как крошечные бороздки или углубления на стебле. Когда растение готово сделать уши, эти клетки начинают делиться и отпочковываться от стебля. Эти почки удлиняются, образуя побеги для початков, и в конечном итоге становятся колосьями, которые можно собирать. Процесс инициируется доставкой гормона, называемого ауксином, в узлы, который сигнализирует клеткам, чтобы они образовывали уши.
Чтобы найти гены, необходимые для производства органов, таких как уши или что-то еще, генетики ищут растения, которые не могут правильно сформировать орган. Растения с мутациями в гене ba2 никогда не дают колосьев, отсюда и название «бесплодный стебель». Мутантные растения не имеют бороздок, в которых должны образовываться початки, что позволяет предположить, что ген функционирует рано, до того, как сформируются почки. был идентифицирован путем молекулярного картирования на хромосоме 2.
Предыдущие скрининги, подобные этому, выявили мутацию в другом гене, называемом barren stalk1 или ba1, который также необходим для формирования уха. Этот другой ген играет ключевую роль в молекулярном сигнальном пути, контролирующем развитие уха. Чтобы проверить, есть ли у недавно идентифицированных бесплодных растений другая проблема, исследователи провели генетическое скрещивание, известное как тест на комплементацию, и пришли к выводу, что фенотип, который они наблюдали у своего растения, был вызван мутацией в совершенно другом гене.
"Интересно, что на самом деле это дело о находках", - сказал Макстин. «Мы обнаружили, что наша мутация была ранее идентифицирована и охарактеризована еще в 1930 году, но за прошедшие годы была утеряна. Очень здорово, что мне удалось заново открыть его и снова добавить в ассортимент."
Посредством серии дополнительных анализов ученые обнаружили, что ген ba2 генетически взаимодействует с геном ba1 и что соответствующие белки образуют комплекс. ba2 также взаимодействует с другими генами, которые, как известно, регулируют ba1. В совокупности эти результаты показывают, что ba2 находится на том же молекулярном сигнальном пути, что и ba1, и что два гена совместно регулируют развитие ушей.
Конечная цель состоит в том, чтобы определить всех генетических игроков, участвующих в контроле того, как и когда образуются початки кукурузы. Идентифицировав этот новый ген и показав, что он образует комплекс с BA1 для контроля развития меристемы, мы в состоянии продвинуть эту важную историю дальше, чем то, что было известно ранее», - сказал Макстин.
Среди других исследователей, участвовавших в исследовании, были Андреа Скирпан из Университета штата Пенсильвания; Брайан Уодделл и Саймон Малкомбер из Калифорнийского государственного университета; и Хун Яо, Микаэла С. Маттес, Норман Бест, Тайлер МакКаббин, Аманда Дурбак и Тейлор Смит из Университета Миссури.
В сопроводительной обзорной статье в том же номере журнала Макстин и его коллеги описывают текущее состояние генетических исследований ауксина в кукурузе, рисе и арабидопсисе. Обзор фокусируется, в частности, на генах, которые, как известно, участвуют в «включении» гормона ауксина и доставке его в нужное место в растении.
Ауксин важно понимать, потому что он контролирует все. Понимание функций генов, участвующих в синтезе, транспорте и передаче сигналов ауксина, было трудным из-за избыточности функций и экспрессии генов. Но теперь с новым геном инструменты редактирования, такие как технология CRISPR, все в восторге от того, что могут это сделать», - сказал Макстин.
Исследование финансировалось за счет грантов Национального научного фонда.