Forskere har for første gang avslørt hvordan et nøkkelgen i planter lar dem bruke energien sin mer effektivt, slik at de kan vokse flere røtter og fange opp mer vann og næringsstoffer.
Et internasjonalt team av planteforskere ledet av Penn State University og i samarbeid med University of Nottingham har oppdaget dette nye regulatoriske genet (kalt bHLH121) som gjør det mulig for maisrøtter å tilegne seg mer vann og næringsstoffer. Funnene er publisert i Proceedings of National Academy of Science.
Genet kontrollerer dannelsen av luftrom blant levende rotvev (kalt rotcortical aerenchyma). Å erstatte en stor prosentandel av rotceller med luftrom sparer planten for mye energi som ellers kreves for å mate alle disse rotcellene. Dette gjør røttene metabolsk mer effektive, slik at de kan bruke ressursene som spares til å bygge flere røtter og utforske jorda mer effektivt og fange opp mer vann og næringsstoffer.
Denne oppdagelsen kan føre til avling av avlinger som tåler tørke og lav-nitrogen jordforhold og til slutt lette global matusikkerhet, foreslår forskerne.
"Å identifisere dette genet og hvordan det fungerer vil gjøre oss i stand til å skape mer motstandsdyktige avlinger som tåler vann- og næringsstressforhold som oppleves som følge av Klima forandringer," sier Rahul Bhosale, assisterende professor i Crop Functional Genomics fra School of Biosciences og BBSRC Discovery Fellow.
Forskerteamet brukte kraftige bildeverktøy utviklet i tidligere forskning ved Penn State som raskt målte celler i tusenvis av røtter. An bildebehandlingsteknikk kalt Laser Ablation Tomography var avgjørende for denne tilnærmingen. Denne toppmoderne tilnærmingen er nå også tilgjengelig ved University of Nottingham.
Hannah Schneider, assisterende professor i avlingsfysiologi ved Wageningen University & Research, Nederland sa: "Vi utførte først felteksperimentene som gikk inn i denne studien fra 2010, og dyrket mer enn 500 linjer med mais på steder i Pennsylvania, Arizona, Wisconsin og Sør Afrika, sa hun. «Jeg jobbet på alle disse stedene. Vi så overbevisende bevis på at vi hadde lokalisert et gen assosiert med rotcortical aerenchyma."
Denne forskningen viste at mutante maislinjer som mangler bHLH121-genet, viste redusert dannelse av rotluftrom. I kontrast forårsaket overuttrykk av bHLH121 mer luftromdannelse.
Karakterisering av disse linjene under suboptimal vann- og nitrogentilgjengelighet på flere steder viste at bHLH121-genet er nødvendig for root dannelse av luftrom og gir et nytt verktøy for planteoppdrettere til å velge varianter med forbedret jordutforskning og dermed utbytte under suboptimale forhold.
"Disse funnene er resultatet av at mange mennesker i Penn State og utover samarbeider med oss, og jobber over mange år," sa han. "Vi oppdaget funksjonen til aerenchyma-trekket og deretter genet assosiert med det, og det kom på grunn av teknologier som har blitt utviklet her i Penn State, for eksempel Shovelomics - graving opp røtter i feltet - Laser Ablation Tomography and Anatomics Rørledning. Vi setter alle disse sammen i dette arbeidet, sier professor Jonathan Lynch, forskningsleder ved Penn State.
Resultatene er betydelige, fortsatte Lynch, fordi det å finne et gen bak en viktig egenskap som kommer til å hjelpe planter har bedre tørketoleranse og bedre nitrogen- og fosforfangst vevstoler i møte med klimaendringer.
"Dette er superviktige egenskaper - både her i USA og rundt om i verden," sa han. «Tørke er den største risikoen for maisdyrkere og forverres med klimaendringer, og nitrogen er den største kostnaden ved å dyrke mais, både fra et økonomisk og miljømessig perspektiv. Oppdrett mais linjer som er mer effektive til å rense for næringsstoffet, ville være en stor utvikling."