Avkomma av ny kombination är mer kraftfull och produktiv än föräldraväxter.
Nya ympade växter – bestående av grundstam epigenetiskt modifierad för att "tro" att den har varit under stress – sammanfogade med en omodifierad skott, eller ovanjordsskott, ger upphov till avkomma som är mer kraftfulla, produktiva och motståndskraftiga än föräldraväxterna.
Det är den överraskande upptäckten av ett team av forskare som genomförde storskaliga fältförsök med tomatplantor på tre vitt åtskilda platser under flera växtgenerationer. De hävdar att upptäckten, som kom från ett samarbete mellan Penn State, University of Florida och ett litet nystartat företag i Nebraska, har stora konsekvenser för växtförädling.
De ympade tomatplantorna som var involverade i forskningen producerade frö som resulterade i avkomma som i genomsnitt var 35 % mer produktiva. Och den tillväxtkraften kvarstod hos avkomman under fem generationer i studien. Kredit:Penn State
Eftersom tekniken involverar epigenetik - att manipulera uttrycket av befintliga gener och inte införandet av nytt genetiskt material från en annan växt - kan grödor som odlas med denna teknik kringgå kontroverser associerade med genetiskt modifierade organismer och mat. Det är förhoppningen från forskargruppsledaren Sally Mackenzie, professor i växtvetenskap vid College of Agricultural Sciences och professor i biologi vid Eberly College of Science i Penn State.
Att sätta epigenetiskt modifierade tomatplantor ... Forskare tror att detta är den första riktiga demonstrationen av en epigenetisk förädlingsmetod som är mottaglig för jordbruket. De säger att tekniken är redo att användas omedelbart av jordbruksväxtförädlare. Kredit:Penn State
"Även om vi gjorde det här med tomat, kan det göras med vilken växt som helst," sa hon. "Vi tror att den här studien representerar ett stort genombrott när det gäller att visa potentialen för epigenetisk förädling för grödor. Och senare kommer det att få stora konsekvenser för träd och skogar inför klimatförändringarna.”
Bygger på tidigare forskning utförd av Mackenzies forskargrupp vid Penn State, grundstammen kom från tomatplantor där forskare manipulerade uttrycket av en gen som heter MSH1 för att inducera "stressminnet". Det minnet ärvs av någon avkomma, vilket ger dem möjlighet till mer kraftfull, tålig och produktiv tillväxt.
MSH1-genen gav forskare tillgång till vägen som styr ett brett spektrum av växtresiliensnätverk, förklarade Mackenzie, som är Lloyd och Dottie Huck ordförande för funktionell genomik och chef för Plant Institute i Penn State. "När en växt upplever en stress som torka eller långvarig extrem värme, har den förmågan att snabbt anpassa sig till sin miljö för att bli fenotypiskt "plastisk" - eller flexibel", sa hon. "Och, det visar sig, det 'kommer ihåg'."
Upptäckten att dessa "kom ihåg" egenskaper passerade från rötterna genom transplantatet till toppen av växten - publicerat idag (22 oktober 2020) i Nature Communications – är oerhört viktigt, påpekade Mackenzie. De ympade tomatplantorna som var involverade i forskningen producerade frö som resulterade i avkomma som i genomsnitt var 35 % mer produktiva - ett fantastiskt resultat, noterade hon. Och den tillväxtkraften kvarstod hos avkomman under fem generationer i forskningen.
Xiaodong Yang, biträdande forskningsprofessor i biologi (till vänster) och Hardik Kundariya, som nyligen avslutade sin doktorsexamen, ledde projektet i Mackenzie-labbet för att demonstrera effekterna av epigenetisk manipulation på växternas prestanda. Här visas de utvärdera epigenetiskt modifierade Arabidopsis-växter för förändringar i tillväxt. Kredit:Penn State
Växterna är också hårdare, enligt Mackenzie. Under en del av studien vid Penn States Russell E. Larson Agricultural Research Center 2018, föll stormar mer än 7 tum regn i augusti, vilket översvämmade tomatfälten. Det poolade vattnet utplånade växter som ingick i andra forskningsförsök. Men de växter som var avkomma till de ympade växterna med den epigenetiskt manipulerade grundstammen överlevde för det mesta - och sedan trivdes de.
Avkomman till de ympade plantorna visade också överlägsen överlevnadsförmåga i de andra fältförsöken som genomfördes i Kalifornien och Florida.
Forskningen är den första riktiga demonstrationen av en epigenetisk avelsmetod som kan användas för jordbruket, sa Mackenzie och tillade att tekniken är redo att distribueras omedelbart.
"Allt vi gör kan alla växtförädlare inom jordbruket göra, och nu har vi visat i stor skala att det har ett jordbruksvärde. Den är redo att gå – en uppfödare kan läsa om detta och implementera systemet för att förbättra sin sort, säger Mackenzie.
Referens:"MSH1-inducerad ärftlig förstärkt tillväxtkraft genom ympning är associerad med RdDM-vägen i växter" av Hardik Kundariya, Xiaodong Yang, Kyla Morton, Robersy Sanchez, Michael J. Axtell, Samuel F. Hutton, Michael Fromm och Sally A. Mackenzie, 22 oktober 2020, Nature Communications .
DOI:10.1038/s41467-020-19140-x
Inblandade i forskningen vid Penn State var också:Michael Axtell, professor i biologi; Xiaodong Yang, biträdande forskningsprofessor i biologi; Robersy Sanchez, docent forskningsprofessor i biologi; och Hardik Kundariya, doktorand i biologi; Samuel Hutton, University of Florida; och Michael Fromm och Kyla Morton, EpiCrop Technologies, Lincoln, Nebraska.
Arbetet stöddes av finansiering från National Science Foundation, National Institutes of Health och U.S. Department of Agricultures National Institute of Food and Agriculture.
