Napęd pyłkowy Teosinte (TPD) to samolubny system genetyczny mieszańców kukurydzy i teosinte, który pozwala na przeżycie jedynie pyłkowi zawierającemu zarówno toksynę, jak i antidotum. Tutaj widzimy wytwarzającą pyłek część hybrydy kukurydzy i teosinte. Źródło: Laboratorium Jon Cahn/Martienssen
Naukowcy z laboratorium Cold Spring Harbor prześledzili udomowienie kukurydzy aż do jej początków sprzed 9 000 lat, podkreślając jej krzyżowanie z teosinte mexicana w celu uzyskania zdolności przystosowania się do zimna.
Odkrycie przez profesora Roba Martienssena mechanizmu genetycznego znanego jako Teosinte Pollen Drive stanowi kluczowe ogniwo w zrozumieniu szybkiej adaptacji i dystrybucji kukurydzy w Ameryce, rzucając światło na procesy ewolucyjne i potencjalne zastosowania w rolnictwie.
Naukowcy z laboratorium Cold Spring Harbor (CSHL) zaczęli odkrywać tajemnicę, którą tworzyli od tysiącleci. Nasza historia zaczyna się 9000 lat temu. To właśnie wtedy na nizinach Meksyku po raz pierwszy udomowiono kukurydzę. Około 5000 lat później uprawa skrzyżowała się z a gatunek z meksykańskich wyżyn zwanych teosinte Meksykańska. Spowodowało to zdolność przystosowania się do zimna. Stąd kukurydza rozprzestrzeniła się na cały kontynent, dając początek warzywu, które obecnie stanowi dużą część naszej diety. Ale jak to się stało, że tak szybko się zaadaptował? Jakie mechanizmy biologiczne pozwoliły na utrwalenie się cech upraw górskich? Dziś pojawia się potencjalna odpowiedź.
Genetyczne spostrzeżenia dotyczące niezwykłej hybrydy
Profesor CSHL i badacz HHMI Rob Martienssen studiował RNA interferencję, proces wyciszania genów przez małe RNA, przez ponad 20 lat, kiedy badacz z Uniwersytetu Wisconsin, Jerry Kermicle, przedstawił ciekawą obserwację. Jego eksperymenty z krzyżowaniem półsterylnych hybryd teosinte z tradycyjną kukurydzą spowodowały, że ich potomstwo zachowywało się bardzo nietypowo. W przypadku normalnego dziedziczenia potomstwo powinno ostatecznie stać się całkowicie bezpłodne lub płodne. Ale niezależnie od tego, ile razy Kermicle krzyżował hybrydy z kukurydzą, całe potomstwo również było półsterylne. Co się działo?
TPD zapewnia, że pewne cechy są zawsze przekazywane poprzez zatrucie niektórych komórek rozrodczych toksyną i podanie antidotum innym. Po lewej: Półsterylna kukurydza zawierająca tylko toksynę. Po prawej: Żywotna kukurydza z toksyną i antidotum. Źródło: laboratorium Martienssen/laboratorium Cold Spring Harbor
Odkrycie napędu pyłkowego Teosinte
Aby to ustalić, Martienssen i doktorant Ben Berube zsekwencjonowali genomy setek ziaren pyłku półsterylnego potomstwa. Odkryli, że w każdym z nich obecne były te same fragmenty genomu teosinte.
„Istniały dwie części genomu, jedna na chromosomie 5 i jedna na chromosomie 6, które zawsze były dziedziczone. To nam powiedziało, że odpowiedzialne za to geny muszą znajdować się w tych regionach” – mówi Martienssen.
Implikacje dla rolnictwa i ewolucji
Odkryli, że na chromosomie 5 znajduje się gen tzw Podobny do kostki 2 tworzy grupę małych RNA, które zawsze występują w półsterylnych hybrydach, ale nie w tradycyjnej kukurydzy. Dzięki temu odkryciu laboratorium Martienssen było w stanie określić, jak to się nazywa Napęd pyłkowy Teosinte (TPD). Ten „samolubny” system genetyczny eliminuje konkurencyjne ziarna pyłku, którym brakuje napędu genowego. Powoduje, że hybrydy kukurydzy i teosinte częściej przekazują pewne cechy samcom niż samicom. Odkrycie może mieć znaczące implikacje dla przemysłu rolnego. Jednak zdaniem Martienssena odkrycie to jest nawet większe niż potencjalne zastosowania w zwalczaniu chwastów.
„Bardziej ekscytują mnie aspekty ewolucyjne, to, co może to oznaczać dla procesu udomowienia i tego, że mógł on przebiegać znacznie szybciej, niż myśleliśmy” – mówi Martienssen.
Łączenie przeszłości kukurydzy z teraźniejszością
Jeśli teosinte Meksykańska jest Neandertalczyk z kukurydzy”, Martienssen mógł znaleźć w TPD „brakujące ogniwo” kukurydzy. Przełom może wyjaśnić, w jaki sposób kukurydza rozkwitła w Ameryce, ale także dlaczego pewne małe RNA są tak powszechne w plemnikach roślin i zwierząt, w tym naszych.
Referencja: 7 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07787-1
Finansowanie: Narodowy Instytut ZdrowiaProgram badań nad genomem roślin Narodowej Fundacji Naukowej, Instytut Medyczny Howarda Hughesa, Narodowa Fundacja Nauki
