URBANA, Ill. - Forskere nærmer sig at finde generne for maleness i vandhamp og Palmer amaranth, to af de mest besværlige landbrugsugræs i USA
At finde generne kunne muliggøre nye “genetiske kontrol” -metoder for ukrudtet, som mange steder ikke længere reagerer på herbicider.
"Hvis vi vidste, hvilke gener der styrer maleness, og vi kunne få disse gener til at sprede sig inden for befolkningen, ville hver plante i marken være en mand efter nogle få generationer, og teoretisk set ville befolkningen gå ned," siger Pat Tranel, professor og associeret leder i Institut for Crop Sciences ved University of Illinois og hovedforfatter på en undersøgelse i Ny fytolog.
Tranel og hans kolleger havde tidligere identificeret molekylære markører associeret med den mandlige genomregion. Efter sekventering af mandlige ukrudtsgenomer for begge arter var forskerne i stand til at bruge disse markører til at nulstille den mandlige specifikke region. Nu er de inden for 120 til 150 gener for at finde deres mål.
”Vi er sikre på, at de fleste af de omkring 120 gener sandsynligvis ikke gør noget. Det er bare ting, der er akkumuleret i den region af genomet, ”siger Tranel. "Hvis jeg skulle gætte, ville jeg sige, at måske 10 af dem faktisk laver noget relevant."
Indsnævring af gener relateret til køn i disse ukrudt kunne have praktisk værdi for kontrol, men undersøgelsen kaster også lys over fænomenet dioecy - mandlige og kvindelige kønsorganer på separate individer - mere generelt. Langt størstedelen af dyr er tospidsede, men det er sjældent i planter. Mere end 90% af de blomstrende planter har begge kønsorganer på det samme individ og ofte inden for den samme blomst.
Waterhemp og Palmer amaranth er dog tospændende.
Dioecy betyder, at det er umuligt for en plante at selvbestøve; i stedet skal kvindelige kønsarter befrugtes med mandlig pollen fra en anden plante. Det er en god ting at sikre genetisk mangfoldighed i en befolkning. Og det er sandsynligvis, hvad der har gjort, at vandhamp og Palmer amaranth er så succesrige ved at undgå de skadelige virkninger af flere herbicider.
”Hidtil har vandhamp og Palmer amaranth udviklet resistens over for herbicider, der spænder over henholdsvis syv og otte virkningsmåder. Dioecious reproduktion resulterer i, at alle disse resistensegenskaber blandes og matches inden for enkeltpersoner. Denne blanding har gjort det muligt for populationer af begge arter at kombinere flere resistenser mod herbicider, hvilket efterlader producenter med få effektive valg af herbicider, ”siger Tranel.
Forståelse af det sjældne fænomen med dioecy i planter kan hjælpe forskere med at sammensætte, hvordan træk arves fra hver forælder, og at forstå, hvordan fænomenet udvikler sig.
I modsætning til dyr, hvor dioecy menes at have udviklet sig en gang, mener forskere, at dioecy i planter har udviklet sig adskillige gange. Og ifølge Tranels undersøgelse ser det ud til at have udviklet sig uafhængigt af vandhamp og Palmer amaranth, to meget nært beslægtede arter.
”Jeg er ikke klar til at sige, at vi absolut ved, at de udviklede sig hver for sig, men alle de oplysninger, vi fandt, understøtter den idé. Kun to af de 120-150 gener lignede hinanden på tværs af de to arter, ”siger Tranel.
En af disse delte gener, Florigen, hjælper planter med at reagere på daglængden ved at starte blomstringen. Tranel ved endnu ikke, om det bestemmer køn af blomster, men han er fascineret af, at det dukkede op i den mandsspecifikke Y-region for begge arter.
”Vi ved det ikke med sikkerhed, men måske er det involveret i, at hanner blomstrer tidligere end kvinder. Det kunne være en fordel for mænd, for da ville de kaste pollen, når de første hunner blev modtagelige. Så hvis Palmer og waterhemp faktisk udviklede dioecy hver for sig, men begge erhvervede dette Florigen-gen for en fitnessfordel, ville det være et sejt eksempel på parallel evolution. ”
Tranel håber at indsnævre den mandspecifikke Y-region i begge arter yderligere for at isolere de gener, der bestemmer maleness. Der er ingen garanti for, at der udvikles en genetisk kontrolløsning, når disse gener er identificeret - Tranel vil sandsynligvis have behov for at tiltrække industripartnere til det - men at have et sådant værktøj er ikke så langt væk som det engang var.
Artiklen, ”Mandsspecifikke Y-kromosomale regioner i vandhamp (Amaranthus tuberculatus) og Palmer amaranth (Amaranthus palmeri), ”Er offentliggjort i Ny fytolog [DOI: 10.1111 / nph.17108]. Forfattere inkluderer Jacob Montgomery, Darci Giacomini og Pat Tranel fra University of Illinois og Detlef Weigel fra Max Planck Institute for Developmental Biology. Projektet blev støttet af USDA National Institute of Food and Agriculture og Max Planck Society.
Institut for Afgrødevidenskab er i College for Landbrugs-, Forbruger- og Miljøvidenskab ved Illinois ukrudtsvidenskab.