是什么让植物的根朝着重力方向生长？PNAS新研究发现四种基因

　　

玉米地里发生的事情很容易被忽视，但玉米根系结构在获取水分和养分方面发挥着重要作用，影响着耐旱性、水分利用效率和可持续性。如果育种者能够鼓励玉米的根以更陡的角度向下生长，作物就有可能在更深的土壤中获得重要的资源。

实现这一目标的第一步是学习与重力作用有关的基因，即根系生长对重力的反应。在《美国国家科学院院刊》上发表的一项新研究中，威斯康星大学的科学家与伊利诺伊大学的研究人员进行了合作。在玉米和模式植物拟南芥中鉴定出4个这样的基因。

当一颗正在发芽的种子翻向一边时，一些根会突然向重力方向陡然转向，而另一些则稍微慢一些。研究人员使用机器视觉方法观察了数千株幼苗根系向地性的细微差异，并将这些数据与每株幼苗的遗传信息结合起来。结果绘制出了地球向性基因在基因组中的可能位置。

这张地图让研究人员找到了基因组中正确的邻近区域——几百个基因的区域——但他们距离确定地球向性的特定基因还有很长的路要走。幸运的是，他们有一个可以帮助他们的工具。

“因为我们之前已经对远亲的拟南芥植物进行了相同的实验，我们能够在两个物种的基因组相关区域内匹配基因。后续测试证实了四个基因的同一性，改变了根向地性。新的信息可以帮助我们理解重力是如何塑造根系结构的，”威斯康星大学植物系教授、该研究的主要作者埃德加·斯伯丁说。

该研究的合著者、伊利诺伊大学作物科学系教授马特·哈德森补充说:“我们研究了玉米的一个研究不足的性状，它对许多原因都很重要，特别是在气候变化的背景下。我们通过让植物之间的进化差异对我们有利来做到这一点。”

玉米和拟南芥(一种被植物生物学家详尽描述的小型芥菜的亲戚)在进化史上进化了大约1.5亿年。哈德逊解释说，尽管这两个物种共享基本的植物功能，但随着时间的推移，控制它们的基因很可能在基因组中发生了混乱。事实证明，这对缩小共同基因是件好事。

在亲缘关系较近的物种中，基因往往在基因组中以近似相同的顺序排列(例如，ABCDEF)。尽管在远亲的物种中可能存在相同的基因，但性状映射区域的基因顺序并不匹配(例如，UGRBZ)。在研究人员确定了每个基因组的查找位置后，原本不匹配的基因序列使共同基因(在本例中是B基因)脱颖而出。

“我认为这是非常酷的，我们可以通过比较不相关的植物物种的基因组间隔来识别我们无法发现的基因，”Hudson说。“当这些基因从分析中冒出来的时候，我们非常确信它们就是正确的基因，但斯伯丁的团队随后又花了7到8年的时间，获得了可靠的生物学数据，以验证它们确实在引力论中发挥作用。在此之后，我认为我们已经验证了整个方法，这样在未来，你可以将这种方法用于许多不同的表现型。”

斯伯丁指出，这种方法可能特别成功，因为精确的测量是在普通环境中进行的。

他说:“通常情况下，玉米研究人员会在一块地里测量它们感兴趣的性状，而拟南芥研究人员则倾向于在生长室内种植它们的植物。”“我们以高度受控的方式测量了根向地性表型。这些种子是在培养皿上生长的，实验只持续了几个小时，与你可能在现实世界中测量的性状不同，这些性状有各种各样的变化。”

即使性状可以在共同的环境中测量，也不是所有的性状都适合这种方法。研究人员强调，这些性状应该是基本植物功能的基础，确保在不相关的物种中存在相同的古老基因。

斯伯丁说:“重力性可能特别适合通过这种方法来研究，因为它可能是成功殖民土地后芽和根最初专业化的关键。”

哈德逊指出，重力论也将是殖民不同景观的关键。

他说:“美国国家航空航天局对在其他星球或太空种植作物很感兴趣，他们需要知道你需要为实现这一点而培育什么。”“没有重力，植物会非常混乱。”

原文标题：

“Leveraging orthology within maize and Arabidopsis QTL to identify genes affecting natural variation in gravitropism,” is published in the Proceedings of the National Academy of Sciences [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. The research was funded by the National Science Foundation.