Potomstwo nowej kombinacji jest bardziej energiczne i produktywne niż rośliny rodzicielskie.
Nowatorskie szczepione rośliny — składające się z podkładki epigenetycznie zmodyfikowanej, aby „wierzyć”, że jest pod wpływem stresu — połączone z niezmodyfikowanym zrazem lub pędem nadziemnym dają potomstwo, które jest bardziej żywotne, produktywne i odporne niż rośliny rodzicielskie.
To zaskakujące odkrycie zespołu naukowców, którzy przeprowadzili zakrojone na szeroką skalę próby terenowe z roślinami pomidora w trzech odległych lokalizacjach na przestrzeni wielu pokoleń roślin. Twierdzą, że odkrycie, które nastąpiło dzięki współpracy między Penn State, University of Florida i małym start-upem w Nebrasce, ma poważne konsekwencje dla hodowli roślin.
Zaangażowane w badania szczepione rośliny pomidora wyprodukowały nasiona, dzięki którym potomstwo było średnio o 35% bardziej produktywne. I ta dynamika wzrostu utrzymywała się u potomstwa przez pięć pokoleń objętych badaniem. Źródło:stan Penn
Ponieważ technika ta obejmuje epigenetykę — manipulowanie ekspresją istniejących genów, a nie wprowadzanie nowego materiału genetycznego z innej rośliny — uprawy hodowane przy użyciu tej technologii mogą ominąć kontrowersje związane z organizmami modyfikowanymi genetycznie i żywnością. Taka jest nadzieja liderki zespołu badawczego Sally Mackenzie, profesor nauk roślinnych w College of Agricultural Sciences i profesor biologii w Eberly College of Science w Penn State.
Zakładanie zmodyfikowanych epigenetycznie roślin pomidora… Naukowcy uważają, że jest to pierwsza prawdziwa demonstracja możliwej do zastosowania w rolnictwie metody epigenetycznej hodowli. Mówią, że technologia jest gotowa do natychmiastowego wdrożenia przez hodowców roślin rolniczych. Źródło:stan Penn
„Chociaż zrobiliśmy to z pomidorem, można to zrobić z dowolną rośliną” – powiedziała. „Uważamy, że to badanie stanowi duży przełom w ukazaniu potencjału hodowli epigenetycznej dla upraw. A później będzie to miało poważne konsekwencje dla drzew i lasów w obliczu zmian klimatycznych”.
Bazując na wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez grupę badawczą Mackenzie w Penn State, podkładka pochodziła z pomidorów, w których naukowcy manipulowali ekspresją genu o nazwie MSH1, aby wywołać „pamięć stresu”. Ta pamięć jest dziedziczona przez niektóre potomstwo, co daje im możliwość bardziej energicznego, odpornego i produktywnego wzrostu.
Gen MSH1 dał naukowcom dostęp do ścieżki kontrolującej szeroki wachlarz sieci odporności roślin, wyjaśnia Mackenzie, która jest kierownikiem katedry genomiki funkcjonalnej Lloyda i Dottie Huck oraz dyrektorem Instytutu Roślin w Penn State. „Kiedy roślina doświadcza stresu, takiego jak susza lub długotrwałe ekstremalne upały, ma zdolność szybkiego dostosowania się do środowiska, aby stać się fenotypowo„ plastyczną ” – lub elastyczną” – powiedziała. „I okazuje się, że„ pamięta ”.
Odkrycie, że te „zapamiętane” cechy przeszły od korzeni przez przeszczep do wierzchołka rośliny — opublikowane dzisiaj (22 października 2020 r.) w Nature Communications — jest niezwykle ważne, zauważył Mackenzie. Jak zauważyła, szczepione rośliny pomidora zaangażowane w badania wyprodukowały nasiona, dzięki którym potomstwo było średnio o 35% bardziej produktywne. I ta dynamika wzrostu utrzymywała się u potomstwa przez pięć pokoleń w badaniach.
Xiaodong Yang, asystent profesora biologii (po lewej) i Hardik Kundariya, który niedawno ukończył studia doktoranckie, kierowali projektem w laboratorium Mackenzie, aby zademonstrować efekty manipulacji epigenetycznej na wydajność roślin. Tutaj pokazano, jak oceniają one zmodyfikowane epigenetycznie rośliny Arabidopsis pod kątem zmian we wzroście. Źródło:stan Penn
Według Mackenzie rośliny też są bardziej wytrzymałe. Podczas jednego z elementów badania w Russell E. Larson Agricultural Research Center w Penn State w 2018 r. burze spadły o ponad 7 cali deszczu w sierpniu, zalewając pola pomidorów. Zebrana woda zniszczyła rośliny, które były częścią innych prób badawczych. Jednak rośliny, które były potomstwem przeszczepionych roślin z epigenetycznie zmanipulowaną podkładką, w większości przeżyły — a potem rozkwitły.
Potomstwo szczepionych roślin wykazało również lepszą przeżywalność w innych próbach polowych przeprowadzonych w Kalifornii i na Florydzie.
Badania są pierwszą prawdziwą demonstracją możliwej do zastosowania w rolnictwie metody epigenetycznej hodowli, powiedział Mackenzie, dodając, że technologia jest gotowa do natychmiastowego wdrożenia.
„Wszystko, co robimy, może zrobić każdy hodowca roślin w rolnictwie, a teraz pokazaliśmy na dużą skalę, że ma to wartość rolniczą. Jest gotowy do pracy — hodowca mógłby o tym przeczytać i wdrożyć system, aby ulepszyć swoją odmianę” – powiedział Mackenzie.
Odniesienie:„Indukowany przez MSH1 dziedziczny, wzmocniony wigor wzrostu poprzez szczepienie jest związany ze ścieżką RdDM w roślinach” autorstwa Hardika Kundariya, Xiaodong Yang, Kyla Morton, Robersy Sanchez, Michaela J. Axtella, Samuela F. Huttona, Michaela Fromma i Sally A. Mackenzie, 22 października 2020 r., Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-020-19140-x
W badania w Penn State zaangażowani byli również:Michael Axtell, profesor biologii; Xiaodong Yang, asystent profesora biologii; Robersy Sanchez, docent biologii; oraz Hardik Kundariya, absolwent biologii; Samuel Hutton, Uniwersytet Florydy; oraz Michael Fromm i Kyla Morton, EpiCrop Technologies, Lincoln, Nebraska.
Prace były wspierane przez finansowanie z National Science Foundation, National Institutes of Health i amerykańskiego Departamentu Rolnictwa Narodowego Instytutu Żywności i Rolnictwa.
