קל להתעלם ממה שקורה מתחת לאדמה בשדה תירס, אבל ארכיטקטורת שורשי התירס יכולה למלא תפקיד חשוב ברכישת מים וחומרים מזינים, ומשפיעה על סבילות לבצורת, יעילות השימוש במים וקיימות. אם מגדלים יכלו לעודד שורשי תירס לצמוח בזווית תלולה יותר, היבול יכול לגשת למשאבים חשובים עמוק יותר באדמה.
צעד ראשון לקראת מטרה זו הוא לימוד הגנים המעורבים בגרביטרופיזם, צמיחת שורשים בתגובה לכוח המשיכה. במחקר חדש שפורסם ב- PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים, מדענים מאוניברסיטת ויסקונסין, בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת אילינוי. לזהות ארבעה גנים כאלה בתירס ואת צמח הדגם Arabidopsis.
כאשר זרע נובט מסובב על צידו, שורשים מסוימים עושים פנייה פתאומית ותלולה לעבר כוח הכבידה, בעוד שאחרים מסתובבים שבריר לאט יותר. החוקרים השתמשו בשיטות ראיית מכונה כדי לראות הבדלים עדינים בגרביטרופיזם של שורש באלפי שתילים ושילבו את הנתונים הללו עם מידע גנטי עבור כל שתיל. התוצאה מיפה את המיקומים הסבירים של גנים גרביטרופיזם בגנום.
המפה הביאה את החוקרים לשכונה הנכונה בגנום - אזורים של כמה מאות גנים - אבל הם עדיין היו רחוקים מזיהוי גנים ספציפיים לגרביטרופיזם. למרבה המזל, היה להם כלי שיכול לעזור.
"מכיוון שביצענו בעבר את אותו ניסוי עם צמח ארבידופסיס הקשור רחוק, הצלחנו להתאים גנים בתוך האזורים הרלוונטיים של הגנום בשני המינים. בדיקות מעקב אימתו את זהותם של ארבעה גנים שמשנים גרביטרופיזם של שורש. המידע החדש יכול לעזור לנו להבין כיצד כוח הכבידה מעצב ארכיטקטורות של מערכת השורשים", אומר אדגר ספאלדינג, פרופסור במחלקה לבוטניקה באוניברסיטת ויסקונסין והמחבר הראשי של המחקר.
מאט הדסון, פרופסור במחלקה למדעי היבול באוניברסיטת אילינוי ומחבר שותף למחקר, מוסיף, "בדקנו תכונה לא נחקרת בתירס שחשובה ממספר סיבות, במיוחד בהקשר של שינויי אקלים . ועשינו את זה בכך שההבדלים האבולוציוניים בין הצמחים יפעלו לטובתנו".
תירס וארבידופסיס, קרוב משפחה חרדל קטן שתואר בצורה ממצה על ידי ביולוגים צמחיים, התפתח בהפרש של כ-150 מיליון שנה בהיסטוריה האבולוציונית. הדסון מסביר שלמרות ששני המינים חולקים תפקודי צמחים בסיסיים, הגנים השולטים בהם כנראה התערבבו בתוך הגנום לאורך זמן. מסתבר שזה דבר טוב לצמצום הגנים הנפוצים.
במינים קרובים, גנים נוטים להתיישר בערך באותו סדר בגנום (למשל, ABCDEF). למרות שאותם גנים עשויים להתקיים במינים קרובים רחוקים, סדר הגנים באזור שאליו התכונה ממופה אינו תואם (למשל, UGRBZ). לאחר שהחוקרים זיהו היכן לחפש בכל גנום, רצפי הגנים שאינם תואמים אחרת גרמו לגנים הנפוצים (במקרה זה B) לבצבץ החוצה.
"חשבתי שזה סופר מגניב שנוכל לזהות גנים שלא היינו מוצאים אחרת רק על ידי השוואת מרווחים גנומיים במיני צמחים לא קשורים", אומר הדסון. "היינו די בטוחים שהם הגנים הנכונים כשהם צצו מיד מתוך הניתוח הזה, אבל הקבוצה של ספלדינג השקיעה שבע או שמונה שנים נוספות בקבלת נתונים ביולוגיים מוצקים כדי לוודא שהם אכן ממלאים תפקיד בגרביטרופיזם. לאחר שעשינו את זה, אני חושב שאימתנו את כל הגישה כך שבעתיד תוכל להשתמש בשיטה זו עבור פנוטיפים רבים ושונים."
ספאלדינג מציין שהשיטה הייתה כנראה מוצלחת במיוחד מכיוון שנעשו מדידות מדויקות בסביבה משותפת.
"לעתים קרובות, חוקרי תירס מודדים את תכונות העניין שלהם בתחום, בעוד שחוקרי ארבידופסיס נוטים לגדל את הצמחים שלהם בחדרי גידול", הוא אומר. "מדדנו את פנוטיפ הגרוויטרופיזם של השורש בצורה מבוקרת מאוד. הזרעים האלה גודלו על צלחת פטרי, והבדיקה נמשכה שעות ספורות, בניגוד לתכונות שאתה עשוי למדוד בעולם האמיתי שפתוחות לכל מיני שונות."
גם כאשר ניתן למדוד תכונות בסביבה משותפת, לא כל התכונות מהוות מועמדות טובה לשיטה זו. החוקרים מדגישים כי התכונות המדוברות צריכות להיות בסיסיות לתפקוד הצמחים הבסיסי, ולהבטיח שקיימים אותם גנים עתיקים במינים שאינם קשורים.
"גרביטרופיזם עשוי להיות מתאים במיוחד ללימוד באמצעות גישה זו, כי זה היה המפתח להתמחות המקורית של זרעים ושורשים לאחר הקולוניזציה המוצלחת של האדמה", אומר ספאלדינג.
הדסון מציין שגרביטרופיזם יהיה המפתח גם לקולוניזציה של נוף אחר.
"נאס"א מעוניינת לגדל יבולים על כוכבי לכת אחרים או בחלל והם צריכים לדעת בשביל מה תצטרכו להתרבות כדי לעשות זאת", הוא אומר. "צמחים די מפורקים ללא כוח הכבידה."
המאמר, "מינוף אורתולוגיה בתוך תירס ו- Arabidopsis QTL לזיהוי גנים המשפיעים על שונות טבעית בגרביטרופיזם", פורסם ב- PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע.
המחלקה למדעי היבול נמצאת במכללה למדעי החקלאות, הצרכנות והסביבה באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין.