גילוי של הגן לאנטומיה של השורש עשוי להוביל לגידול גידולי תירס עמידים יותר: תכונה מביאה לכך ששורשים מסוגלים יותר ללכוד יותר מים וחומרי מזון מהאדמה, זקוקים לפחות דשן ועמידים בבצורת

בממצאים שפורסמו ב-16 במרץ ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעהחוקרים זיהו גן המקודד לגורם שעתוק – חלבון שימושי להמרת DNA ל-RNA – שמפעיל רצף גנטי האחראי לפיתוח תכונה חשובה המאפשרת לשורשי תירס לרכוש יותר מים וחומרי הזנה.

התכונה הניתנת לצפייה, או הפנוטיפ, נקראת אירנכימה קליפת המוח של שורש, וכתוצאה מכך נוצרים מעברי אוויר בשורשים, על פי מנהיג צוות המחקר ג'ונתן לינץ', פרופסור מכובד למדעי הצמח. הצוות שלו בפן סטייט הראה שהפנוטיפ הזה הופך שורשים לזולים יותר מבחינה מטבולית, ומאפשר להם לחקור את האדמה טוב יותר וללכוד יותר מים וחומרי מזון מאדמה יבשה ובלתי פורייה.

כעת, זיהוי המנגנון הגנטי מאחורי התכונה יוצר יעד רבייה, ציין לינץ', שקבוצת המחקר שלו במכללה למדעי החקלאות חקרה תכונות שורש בתירס ושעועית בארצות הברית, אסיה, אמריקה הלטינית, אירופה ואפריקה. משלושה עשורים, במטרה לשפר את ביצועי היבול.

את המחקר האחרון הזה הובילה חנה שניידר, לשעבר דוקטורנטית ולאחר מכן פוסט-דוקטורנטית במעבדת לינץ', כיום עוזרת פרופסור לפיזיולוגיה של היבול באוניברסיטת Wageningen ומחקר, הולנד. במחקר, היא השתמשה בכלים גנטיים רבי עוצמה שפותחו במחקרים קודמים בפן סטייט כדי לבצע "פנוטייפ בתפוקה גבוהה" למדידת מאפיינים של אלפי שורשים בזמן קצר.

כשהיא משתמשת בטכנולוגיות כמו Laser Ablation Tomography ו-Anatomics Pipeline, יחד עם מחקרים הקשורים לגנום, היא מצאה את הגן – "גורם שעתוק bHLH121" – הגורם לתירס לבטא אנרכימה שורשית. אבל איתור ולאחר מכן אימות היסודות הגנטיים של תכונת השורש דרשו מאמץ ממושך, ציין שניידר.

"ביצענו לראשונה את ניסויי השדה שנכנסו למחקר הזה החל משנת 2010, גידול של יותר מ-500 שורות של תירס באתרים בפנסילבניה, אריזונה, ויסקונסין ודרום אפריקה", אמרה. "עבדתי בכל המקומות האלה. ראינו ראיות משכנעות שאיתרנו גן הקשור לארנכימה שורשית".

אבל הוכחת הרעיון לקחה הרבה זמן, סיפר שניידר. החוקרים יצרו קווי תירס מרובים עם מוטציות תוך שימוש בשיטות מניפולציה גנטית כמו מערכת עריכת הגנים CRISPR/Cas9 ונוקאאוט של גנים כדי להראות את הקשר הסיבתי בין גורם השעתוק להיווצרות של אירנכימה שורשית..

"לקח שנים לא רק ליצור את הקווים האלה, אלא גם לעשות פנוטיפ שלהם בתנאים שונים כדי לאמת את תפקוד הגן הזה", אמרה. "השקענו 10 שנים על זה, באישור ובאימות התוצאות שלנו, כדי לוודא שזה הגן וגורם השעתוק הספציפי השולט על היווצרות אירנכימה שורשית. ביצוע עבודה מסוג זה בשטח וחפירה ופנוטייפ של שורשים של צמחים בוגרים היה תהליך ארוך".

במאמר דיווחו החוקרים כי מחקרים פונקציונליים גילו שקו התירס המוטנטי עם הגן bHLH121 נוק אאוט וקו מוטנטי CRISPR/Cas9 שבו הגן נערך כדי לדכא את תפקודו, שניהם הראו היווצרות אנרכימה שורשית מופחתת. לעומת זאת, קו ביטוי יתר הראה היווצרות אירנכימה קורטיקלית שורש גדולה יותר באופן משמעותי בהשוואה לקו התירס הבר.

אפיון של קווים אלה תחת זמינות לא אופטימלית של מים וחנקן בסביבות קרקע מרובות גילה כי הגן bHLH121 נדרש להיווצרות אירנכימה שורשית, על פי החוקרים. והאימות הכולל של חשיבותו של הגן bHLH121 ביצירת שורש קליפת המוח, הם מציעים, מספק סמן חדש עבור מגדלי צמחים לבחור זנים עם חקר קרקע משופר, ובכך תשואה, בתנאים לא אופטימליים.

עבור לינץ', שמתכננת לפרוש מהפקולטה למדעי הצמח בסוף השנה הנוכחית, המחקר הזה הוא שיאה של 30 שנות עבודה בפן סטייט.

"ממצאים אלה הם תוצאה של אנשים רבים בפן סטייט ומעבר לכך ששיתפו איתנו פעולה, ועבדו לאורך שנים רבות", אמר. "גילינו את הפונקציה של תכונת האינרכימה ולאחר מכן את הגן הקשור אליה, וזה נוצר בגלל טכנולוגיות שהומצאו כאן בפן סטייט, כמו Shovelomics – חפירת שורשים בשטח – טומוגרפיה לייזר אבלציה. וצינור אנטומיקה. אנחנו מחברים את כל אלה יחד בעבודה הזו."

התוצאות משמעותיות, המשיך לינץ', כי מציאת גן מאחורי תכונה חשובה שתעזור לצמחים לסבול טוב יותר לבצורת ולכידת חנקן וזרחן טובה יותר לנוכח שינויי האקלים.

"אלה תכונות סופר חשובות – גם כאן בארה"ב וגם ברחבי העולם", אמר. "בצורת הן הסיכון הגדול ביותר למגדלי התירס והולכות ומחמירות עם שינויי האקלים, וחנקן הוא העלות הגדולה ביותר של גידול תירס, הן מנקודת מבט פיננסית והן מבחינה סביבתית. גידול קווי תירס יעיל יותר בניקוי חומר המזון תהיה התפתחות גדולה. "

למחקר בפן סטייט תרמו קתלין בראון, פרופסור לביולוגיה של מתח צמחים, כעת בדימוס, מרדית הנלון, פוסט-דוקטורט, המחלקה למדעי הצמח; סטפני קליין; דוקטורנט במדעי הצמח; וקודי דיפו, חוקר פוסט-דוקטורט, המחלקה למדעי הצמח; ואי לור, שון קפלר ושיה ג'אנג, המחלקה לאגרונומיה ומרכז חדשנות יבולים של ויסקונסין, אוניברסיטת ויסקונסין; Patompong Saengwilai, המחלקה לביולוגיה, הפקולטה למדעים, אוניברסיטת Mahidol, בנגקוק, תאילנד; ג'יין דייוויס, Rahul Bhosale ומלקולם בנט, Future Food Beacon ובית הספר למדעי הביולוגי, אוניברסיטת נוטינגהאם, Loughborough, בריטניה; אדיטי בורקר, בית הספר לרפואה וטרינרית ומדעים, אוניברסיטת נוטינגהאם, סאטון בונגטון, בריטניה.

משרד האנרגיה של ארה"ב, קרן הווארד G באפט והמכון הלאומי למזון וחקלאות של משרד החקלאות האמריקאי תמכו במחקר זה.