Switchgrass hybrid mang lại hiểu biết sâu sắc về tiến hóa thực vật

Giờ đây, với sự hợp tác của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, hay DOE, Viện Genome chung, Văn phòng Người dùng Khoa học DOE và Đại học Texas tại Austin, các nhà nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu năng lượng sinh học Great Lakes tại Đại học bang Michigan đã xác định các bộ phận cụ thể mã di truyền trong cây có thể góp phần thu hoạch cỏ lớn hơn trong khi làm giảm các điểm yếu của cây trồng.

David Lowry, trợ lý giáo sư sinh học thực vật tại MSU và Thomas Juenger, giáo sư sinh học tích hợp tại UT Austin, đã lãnh đạo một nhóm xác định các gen thúc đẩy sự phát triển của cỏ trên một loạt các vùng khí hậu – và những cây này có thể được nhân giống để bao gồm những dấu hiệu di truyền.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một số đặc điểm thích nghi trong cỏ khô thường có thể được cải thiện mà không làm tổn hại sức khỏe thực vật theo những cách khác. Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trong tuần này trong Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia .

Giống như nhiều loại cây được thuần hóa, cỏ khô có nhiều giống cây thích nghi với các vùng địa lý khác nhau. Công tắc vùng cao phía bắc thường sống trên các đỉnh núi và trong các khu vực thảo nguyên ở các bang như Nam Dakota, Michigan và Wisconsin. Loài chó này không bận tâm đến cái lạnh và có thể sống sót qua mùa đông khắc nghiệt, như trường hợp của nhiều thứ từ phía bắc.

Tuy nhiên, cỏ khô phía bắc không phát triển lớn hoặc nhanh như kiểu sinh thái vùng đất thấp phía nam phát triển mạnh ở các khu vực ẩm ướt, đầm lầy từ Missouri và Kansas xuống Texas. Giống cây trồng phía Nam cũng có xu hướng chống chịu sâu bệnh tốt hơn và có thể chịu đựng tốt hơn các điều kiện khắc nghiệt như hạn hán và lũ lụt. Mặt khác, kiểu sinh thái phía nam không chịu được mùa đông lạnh, thường chết khi thời tiết quá lạnh.

Để cố gắng đạt được kết quả tốt nhất của cả hai thế giới, Lowry, Juenger và các đối tác của họ đã nghĩ ra một thí nghiệm trên khắp miền trung Hoa Kỳ – từ Texas đến Nam Dakota – để xác định địa điểm nào gây ra sự khác biệt giữa các giống cây thích nghi với miền Bắc lạnh khu vực.

“Chúng tôi quan tâm đến việc tần suất các địa phương cải thiện hiệu suất ở một số trang web (nói ở phía nam) có chi phí hoặc đánh đổi cho hiệu suất tại các địa điểm khác (nói ở phía bắc),” Juenger nói. “10 địa điểm chủ yếu được chọn để liên quan đến những người chúng tôi đã gặp hoặc đã tương tác với cộng đồng cỏ khô trong vài năm qua – và bao gồm sự phân bố theo chiều dọc của các loài. Chúng tôi đã thực sự cố gắng xây dựng các khu vực trồng trọt như một tài nguyên cộng đồng. “

Đầu tiên, họ tạo ra một giống lai của hai giống, sau đó trồng hàng trăm giống cỏ lai giống nhau ở 10 địa điểm trên toàn bộ khu vực địa lý. Sau đó, so sánh sự tăng trưởng của các giống lai với các giống bố mẹ ở mỗi địa điểm, các nhà nghiên cứu đã phân lập nguyên nhân di truyền của các kết quả có lợi bằng cách sử dụng một phương pháp gọi là locus đặc điểm định lượng, hoặc ánh xạ QTL.

Giống phía nam nói chung là một loại cỏ lớn hơn, vì vậy các nhà nghiên cứu thường nghĩ rằng locus của nó sẽ chịu trách nhiệm duy nhất cho việc tăng kích thước của giống lai. Đáng ngạc nhiên, thí nghiệm cho thấy rằng gen switchgrass phía bắc cũng đóng một vai trò trong việc tăng sinh khối.

“Điều này có nghĩa là nếu chúng ta có thể kết hợp các bộ gen đó với nhau thông qua lai tạo, chúng ta thực sự có thể có được một cây có năng suất cao hơn nhiều,” Lowry nói.

Thích nghi di truyền thường đi kèm với sự đánh đổi. Ví dụ, những đặc điểm tạo ra độ cứng mùa đông ở miền bắc có thể chuyển hướng các nguồn lực khỏi tăng trưởng. Tương tự như vậy, sự phổ biến của các gen tăng trưởng ở thực vật thích nghi ở miền Nam có thể làm giảm khả năng chịu lạnh của chúng.

Trong nghiên cứu này, các đặc điểm thuận lợi cho tăng trưởng đã được thể hiện ở một khu vực của đất nước mà không bị giảm bớt. “Điều đó cho chúng ta biết một chút về cách thích ứng hoạt động và làm thế nào nó có thể mang lại lợi ích cho nông nghiệp,” Lowry nói. “Nếu chúng tôi có thể chọn trên các locus này, chúng tôi có thể nhận được lợi ích mà không mất nhiều chi phí.”

Bởi vì họ đã thiết kế nghiên cứu để bao quát một khu vực địa lý rộng lớn như vậy, nên nhóm có thể cô lập các kịch bản di truyền thắng / thắng này.

“Thông thường chỉ có hai trang web hiện trường liên quan đến các loại thí nghiệm này, nhưng chúng tôi đã có 10,” Lowry nói. “Vì vậy, chúng tôi đã có một ý tưởng tốt hơn nhiều rằng có những locus có chi phí thấp hơn nhiều liên quan đến chúng.”

“Chúng tôi đang nhận được những hiểu biết mới về cách thức thực vật điều chỉnh trong các môi trường khác nhau,” Lowry nói. “Hiểu cách thức cỏ chuyển sang miền Bắc Hoa Kỳ so với miền Nam Hoa Kỳ sẽ cho phép chúng tôi sử dụng kiến ​​thức đó để cải thiện nó như một loại cây trồng năng lượng sinh học.”

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học bang Michigan . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. David B. Lowry, John T. Lovell, Li Zhang, Jason Bonette, Philip A. Fay, Robert B. Mitchell, John Lloyd-Reilley, Arvid R. Boe, Yanqi Wu, Francis M. Rouquette, Richard L. Wynia, Xiaoyu Weng, Kathrine D. Behrman, Adam Healey, Kerrie Barry, Anna Lipzen, Diane Bauer, Aditi Sharma, Jerry Jenkins, Jeremy Schmutz, Felix B. Fritschi, Thomas E. Juenger. Các tương tác môi trường QTL × tạo ra sự phân kỳ thích nghi trong thiết bị chuyển mạch qua một gradient vĩ độ lớn . Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , 2019; 201821543 DOI: 10.1073 / pnas.1821543116