Oppdagelsen av et gen som regulerer vinkelen på rotvekst i mais er et nytt verktøy for å muliggjøre foredling av dypere rotende avlinger med forbedret evne til å ta opp nitrogen, ifølge et internasjon alt team av forskere, ledet av Penn State.
Genet, k alt ZmCIPK15 - en betegnelse som indikerer hvor det er lokalisert i genomet og hvordan det fungerer - ble funnet å mangle i en naturlig forekommende mutant maislinje som vokser røtter i brattere vinkler som får dem til å gå dypere inn i jorden. De identifiserte genet ved hjelp av en teknikk k alt en genomomfattende assosiasjonsstudie, som involverer en møysommelig statistisk analyse av et genomomfattende sett med genetiske varianter i forskjellige plantelinjer for å se hvilke gener som er assosiert med en egenskap.
Identifisering av et gen som kontrollerer vinkelen på rotvekst i mais - som påvirker dybden røttene går til - er viktig fordi dypere røtter har større evne til å fange opp nitrogen, ifølge forskningsteamleder Jonathan Lynch, fremtredende professor i plantevitenskap ved Penn State College of Agricultural Sciences. Mais med en forbedret evne til å ta opp nitrogen har implikasjoner for verdens miljø, økonomi og matsikkerhet, bemerket han.
"Mais er den viktigste avlingen i verden. I rike land som USA er de største energi-, økonomiske og miljømessige kostnadene ved å dyrke mais nitrogengjødsel," sa Lynch. "Og mer enn halvparten av nitrogengjødselen som tilføres mais blir aldri engang tatt opp. Det er bare bortkastet – vasket dypere ned i jorda der det forurenser grunnvannet, og noe av det går ut i atmosfæren som drivhusgassen lystgass. Det er et enormt problem."
I motsetning til dette, i regioner som Afrika hvor folk er mer avhengige av mais for mat, er jordsmonnet mangelfullt på nitrogen og bønder har ikke råd til å kjøpe gjødsel, hvis det i det hele tatt er tilgjengelig, la Lynch til. Maisavlingene i Afrika er bare en brøkdel av hva de er i USA. Mais med dypere rot vil hjelpe fattige land til å høste mer mat med den begrensede mengden nitrogen de har.
For å finne genet som regulerer vinkelen på røttene, screenet forskere ved Penn State nesten 500 linjer med mais over fire år i Sør-Afrika. Felteksperimenter ved Penn State's Russell E. Larson Agricultural Research Center og drivhuseksperimenter ved University Park campus ble utført for å bekrefte fenotypen til mutant- og villtypeplantene og for å teste den funksjonelle nytten av endringer i rotvinkelen for nitrogenfangst.
Røttene til utvalgte planter ble gravd ut og målt, og validerte den funksjonelle betydningen av ZmCIPK15-genet. Det forårsaket en omtrentlig 10-graders endring i rotvinkel, bemerket Hannah Schneider, tidligere postdoktor i Lynch-laboratoriet, nå et fakultetsmedlem ved Wageningen University i Nederland, som ledet forskningen.
"Sammen med forbedret dyp nitrogenoppsamling, forventet vi å se at den brattere vekstvinkelen til cipk15-mutantenes røtter ville resultere i bedre ytelse i tørke, men i våre eksperimenter ble det ikke oversatt til forbedret plantevannstatus, " hun sa. "Men det kan bare være fordi vi har problemer med å simulere tørkeforhold i Pennsylvania."
I funn som nylig ble publisert i Plant, Cell and Environment rapporterte forskerne at en brattere rotvekstvinkel forbedret nitrogenfangsten markant. I feltstudier under suboptimal nitrogentilgjengelighet hadde cipk15-mutanten med brattere vekstvinkler 18 % større skuddbiomasse og 29 % større skuddnitrogenakkumulering sammenlignet med villtypen, etter 70?dagers vekst.
Resultatene av forskningen er øyeåpnende, påpekte Lynch, og innrømmet at han var overrasket over resultatet. Det er ganske uvanlig, når man slår ut noe, at planten blir bedre, forklarte han. Fordi planter er som finjusterte maskiner.
"Du tar et gen ut av den finjusterte maskinen, du forventer ikke at det skal fungere bedre, men dette viser at hvis du slår ut enkeltgenet, vil du få dypere røtter og bedre nitrogenfangst, " han sa. "For Amerika er her en måte å redusere en stor kostnad og miljøpåvirkning fra maisproduksjon. For Afrika kan denne oppdagelsen resultere i høyere maisavlinger som vil redusere matusikkerhet. Og denne oppdagelsen kan støtte oppdagelsen av gener som regulerer brattere rotvinkler for andre kornplanter, spesielt de som er nært beslektet med mais, som sorghum og perlehirse."
