Genetyka: Starożytne duplikacje genów dały trawy na wiele sposobów

Jeśli kiedykolwiek wyhodowałeś marchewki w swoim ogrodzie i zdziwiłeś się, że ani razu nie zobaczysz ich w kwiatach, nie obwiniaj swojego braku zielonego kciuka.

Marchewki, buraki i wiele innych roślin nie kwitną, dopóki nie przejdą zimy. Wydłużone zimno daje im sygnał do szybkiego kwitnienia, gdy nadejdzie wiosna, dając roślinom przewagę w wyścigu, by produkować nasiona.

Ale zimno nie zawsze jest wymagane. W latach trzydziestych XX wieku dwóch angielskich naukowców odkryło, że niektóre rośliny z rodziny trawiastej, takie jak żyto lub pszenica, mogą wykorzystać krótkie dni zamiast zimna, aby powiedzieć im, kiedy nadejdzie zima.

“Ale nic nie wiadomo o tym, jak to działa” – mówi Rick Amasino , profesor biochemii i genetyki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.

Teraz, ponad 80 lat później, Daniel Woods i inni z grupy Amasino w końcu odkryli, jak trawy liczą krótkie dni zimy, aby przygotować się do kwitnienia. W większości roślin białko o nazwie florigen indukuje kwitnienie podczas wydłużających się dni wiosny i lata. Trawy mają wiele kopii genu florigen, dzięki starożytnej duplikacji w ich genomach. Jedna z tych kopii została ponownie wykorzystana podczas krótkich dni zimowych, dając trochę trawy nowym sposobom przygotowania się do wiosny.

Praca została opublikowana w czasopiśmie eLife . Nowe badania dają cenny wgląd w to, jak rośliny przystosowane do zimy zyskują zdolność kwitnienia na wiosnę, co może być pomocne w ulepszaniu upraw, takich jak pszenica ozima, które polegają na tym procesie.

Vernalization, wymóg na okres zimna przed kwitnieniem może mieć miejsce, ewoluował wiele razy w różnych rodzinach roślin. Naukowcy są przekonani, że wernalizacja pozwala roślinom wypełnić nową niszę, w której gromadzą one energię w ciągu jednego roku i szybko kwitną na wiosnę, zanim zostaną przyciemnione lub pokonane przez inne rośliny. W przeszłości Amasino i jego grupa zidentyfikowali geny regulujące wernalizację u członka rodziny kapusty znanej jako Arabidopsis.

Aby uzyskać wykorzystanie długości dnia jako sygnału zimowego, grupa Amasino zwróciła się do Brachypodium, trawy używanej w laboratorium, która jest powiązana z uprawami takimi jak kukurydza, ryż i pszenica. Naukowcy odkryli, że spośród 51 odmian Brachypodium 40 mogło wyczuć krótkie dni jako znak zimy, pokazując, że w tej odmianie występuje zróżnicowanie tej cechy.

“Jeśli masz zmienność, możesz robić genetykę”, mówi Amasino, który jest członkiem Centrum Badań nad Bioenergią Wielkich Jezior , instytutu finansowanego przez Departament Energii USA z siedzibą w UW-Madison.

Naukowcy zidentyfikowali przyczynę tej zmiany do zmiany pojedynczej litery w pojedynczym genie, który jest jednym z 14 duplikatów genu florigen.

Zespół odkrył, że duplikat, nazwany FTL9, ewoluował, by działać jako swego rodzaju odwrotność macierzystego genu florigen. Gdzie florigen gromadzi się w liściach podczas długich dni, aby spowodować kwitnienie, FTL9 gromadzi się podczas krótkich dni zimy. Podczas gdy wystarczająca ilość florigen sprawia, że ​​kwitnienie jest nieuniknione, FTL9 umożliwia kwitnienie jedynie poprzez zwolnienie hamulców na florigen po nadejściu wiosny.

Amasino wychodzi z założenia, że ​​to, czy rośliny ewoluowały, aby śledzić zimę przez zimne czy krótkie dni, zależy od miejsca, w którym się zakorzenią. W cieplejszym klimacie słońce może być lepszym sygnałem zimy niż temperatura. Ale w chłodniejszych regionach najlepiej będzie poczekać, aż minie ostatnie niebezpieczeństwo mrozu, zanim zainwestuje się w kruche kwiaty. Na poparcie tego pomysłu, Brachypodium przystosowane do śledzenia krótkich dni było w większości zbierane z balsamicznego Morza Śródziemnego.

Lepsze zrozumienie, w jaki sposób rośliny wyewoluowały systemy oznaczające koniec zimy, może pomóc naukowcom w utrzymaniu produktywności upraw, zwłaszcza w klimacie ocieplenia. Ponieważ rosnące obszary się nagrzewają, uprawy podążające za słońcem zawsze będą niezawodnie śledzić porę roku, nawet jeśli zimowy chłód osłabnie.

Źródło: University of Wisconsin-Madison

Komentarz : Zobacz poniższy film, wyjaśni wszystko: