Zespół badawczy opracował ramy do badania plastyczności fenotypowej, łącząc cechy upraw, genetykę i pogodę. Metoda przewiduje cechy kukurydzy, takie jak czas kwitnienia i wysoki poziom dokładnośćoferując podejście oparte na danych do hodowli roślin odpornych na zmianę klimatu.
Zrozumienie wpływu zarówno czynników środowiskowych, jak i cech genetycznych na uprawy ma kluczowe znaczenie dla opracowania bardziej odpornych i produktywnych odmian.
Jednak skomplikowane wzajemne oddziaływanie pogody i genów jest trudne do rozwikłania, po części dlatego, że rośliny o tym samym genotypie mogą w różny sposób reagować na zmieniające się warunki. Ta dynamika nazywa się plastycznością fenotypową i jest głównym przedmiotem zainteresowań badawczych Jianming Yu, profesora agronomii na Uniwersytecie Stanowym Iowa.
Hodowcy roślin uprawnych uznali plastyczność fenotypową za zbyt gęsto powiązaną, aby można było na niej skupiać się w poprawianiu wydajności, powiedział Yu. Nowe badanie przeprowadzone przez jego zespół badawczy i współpracowników ma na celu zwiększenie nacisku na plastyczność poprzez pokazanie systematycznego podejścia do wyciągania wniosków z danych łączących cechy upraw, genetykę i warunki pogodowe.
Budowanie ram dla plastyczności fenotypowej
„Stworzyliśmy ramy ilościowe dla hodowców i genetyków, aby zrozumieć plastyczność i jednocześnie badać wszystkie istotne aspekty” – powiedział Yu, wybitny pionier pionierów w dziedzinie hodowli kukurydzy i dyrektor Centrum Hodowli Roślin im. Raymonda F. Bakera.
Odkrycia zespołu Yu, opisane w niedawnym artykule w Badania genomuwykorzystuje wcześniejsze badania oparte na dużym zestawie roślin kukurydzy, które były dobrze badane w ciągu ostatnich dwóch dekad. Populacja mapująca asocjacje zagnieżdżonych kukurydzy obejmuje 5000 linii kukurydzy uprawianej w 11 lokalizacjach, a dane dotyczące cech genetycznych i fizycznych roślin są szeroko wykorzystywane przez badaczy. Zespół kierowany przez Matthew Hufforda ze stanu Iowa, profesora ekologii, ewolucji i biologii organizmów, opublikował w 2021 r. badanie, w ramach którego sekwencjonowano genomy 26 założycieli wykorzystanych do wyhodowania populacji liczącej 5000 linii.
Nowe badania prowadzone przez Yu integrują genomikę założyciela z obserwacjami cech i historycznymi danymi pogodowymi, przeszukując ponad 20 milionów markerów genetycznych na podstawie 19 cech roślin kukurydzy w zmieniających się warunkach środowiskowych w trakcie cyklu rozwojowego kukurydzy.
„To niesamowite, że możemy zidentyfikować główny czynnik środowiskowy na krytycznej fazie wzrostu, kształtujący wzór reakcji plastycznej populacji kukurydzy, a także powiązać go z wariantami genetycznymi obejmującymi cały genom” – powiedział.
Celem długoterminowym jest ukierunkowanie wysiłków hodowlanych, dzięki czemu łatwiej będzie przewidzieć, w jaki sposób wyhodować kukurydzę, która zapewni wyższe plony lub większą odporność na ekstremalne warunki. Na przykład analiza statystyczna, którą naukowcy opisali w swoim artykule, wykorzystała dane do przewidywania czasu kwitnienia nietestowanych genotypów hodowanych w nieprzetestowanych środowiskach w ponad 90% przypadków. Przewidywania dotyczące architektury roślin i cech składowych plonu nie były tak dokładne w przypadku nieprzetestowanych genotypów i środowisk, chociaż niektóre indywidualne cechy w obu kategoriach przekraczały 50%.
Konsekwencje dla upraw odpornych na klimat
Namawianie do dalszych ulepszeń w zakresie kukurydzy i innych upraw będzie coraz ważniejsze w miarę zmiany klimatu, a postęp w hodowli uwzględniający podejście całościowe – duże zbiory danych obejmujące rzeczywiste warunki – jest najbardziej obiecujący, powiedział Yu.
„Uważamy, że w większości przypadków, gdy ludzie badają szczegóły przy użyciu zaawansowanych technologii, patrzą tylko na niewielki podzbiór materiału” – powiedział. „Aby rozwiązać duże problemy, potrzebna jest złożoność naturalnych warunków polowych. Tam będziemy produkować naszą produkcję.”
Zespół Yu podzielił się swoimi wynikami w MaizeGDB, publicznie dostępnej witrynie internetowej poświęconej genomice kukurydzy, aby inni badacze mogli wykorzystać wyniki swojej pracy. Yu ma nadzieję, że ich techniki gromadzenia i analizowania danych rzucających światło na plastyczność fenotypową zostaną wykorzystane przez naukowców pracujących z innymi roślinami. Duże firmy hodowlane również są zainteresowane tym podejściem, powiedział.
„To bardziej metoda niż konkretne ustalenia. To interesujący i wartościowy sposób patrzenia na dane” – stwierdził.
Odniesienie: „Kompleksowa identyfikacja genomowych i środowiskowych determinantów fenotypowej plastyczności w kukurydzy” Laura E. Tibbs-Cortes, Tingting Guo, Carson M. Andorf, Xianran Li i Jianming Yu, 6 sierpnia 2024 r., Badania genomu.
DOI: 10.1101/gr.279027.124
Badania były wspierane przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, Narodową Fundację Naukową, Instytut Nauk o Roślinach Uniwersytetu Stanowego Iowa oraz Centrum Hodowli Roślin im. Raymonda F. Bakera.
