ژن کشف شده برای تولید دانه های کلونال در گیاهان زراعی بسیار مهم است

محققان دانشگاه KeyGene و Wageningen و تحقیقات (WUR) با همکاری همکارانی از ژاپن و نیوزلند، ژنی را کشف کردند که امکان تولید بذر از محصولاتی را فراهم می کند که از نظر ژنتیکی با گیاه مادری یکسان هستند و نیازی به گرده افشانی ندارند. .

این پدیده که آپومیکسیس نام دارد، گیاهانی را با ترکیبی مطلوب از صفات قادر می سازد تا فرزندان زیادی با همان ترکیب ژن های مطلوب گیاه مادر تولید کنند.

محققان KeyGene و WUR همراه با محققان شرکت اصلاح‌کننده ژاپنی Takii و تحقیقات گیاهی و غذایی نیوزلند و دانشگاه لینکلن، در مجله Nature Genetics نحوه عملکرد این ژن و تأثیر آن بر کار «پدر ژنتیک» گرگور مندل را توضیح می‌دهند. .

انتظار می‌رود این کشف در سال‌های آینده منجر به نوآوری‌های عمده در اصلاح نباتات شود.

ژن یافت شده نام PAR داده شده است که از پارتنوژنز کوتاه شده است، فرآیندی که طی آن سلول های تخم مرغ بدون لقاح سلول های تخم به جنین های گیاهی تبدیل می شوند. این کشف یک پیشرفت قطعی را نشان می دهد و کار تیم تحقیقاتی را که بیش از 15 سال پیش در KeyGene آغاز شده بود، نشان می دهد.

نوآوری در کشاورزی
Apomixis به عنوان جام مقدس کشاورزی دیده می شود. از آنجایی که گیاهان آپومیکتیک دانه‌های «کلونال» را از گیاه مادر تولید می‌کنند، این فرآیند اجازه می‌دهد تا ترکیب‌های برتر منحصربه‌فردی از ویژگی‌های گیاه را در یک لحظه به ثبت برسانند. بنابراین آپومیکسیس می‌تواند پرورش محصولات نوآورانه را تسریع کند، تولید بذر را کم‌هزینه‌تر کند و مزایای اصلاح نژاد هیبریدی را برای بسیاری از گونه‌های زراعی جهان به ارمغان بیاورد.

کارلا اوپلات، محقق WUR، در آزمایشگاه

در حالی که اهمیت آپومیکسیس برای کشاورزی مدت‌هاست به رسمیت شناخته شده است، اما هنوز با موفقیت در عمل اصلاح نباتات معرفی نشده است. در سال 2018 ژنی کشف شد که می‌توان از آن برای پارتنوژنز در برنج استفاده کرد، اما دانشمندان اکنون می‌دانند که این ژن، متأسفانه، خارج از علف‌ها کار نمی‌کند.

پانزده سال تحقیق
تیمی از دانشمندان از شرکت تحقیقاتی KeyGene در هلند شروع به کشف ژنتیک پشت آپومیکسیس در اوایل دهه 2000 کردند. از همان ابتدا، ایده این بود که یافتن ژن ها می تواند به معنای پیشرفتی برای استفاده از آپومیکسیس در محصولات باشد. در سال 2016، تیم KeyGene اولین کسی بود که ژن DIP، ژن دیپلوسپوری را کشف کرد، که یکی از دو مرحله دخیل در آپومیکسیس است.

قاصدک در گلخانه WUR

ژن DIP تضمین می کند که تعداد کروموزوم ها در طول تشکیل سلول های تخمک به نصف نمی رسد. مرحله مهم دیگر در آپومیکسیس این است که این سلول تخمک با این تعداد کروموزوم طبیعی بدون لقاح شروع به تقسیم کرده و به جنین تبدیل می شود. این فرآیند پارتنوژنز نامیده می شود. بنابراین، محققان KeyGene به جستجوی ژن PAR پرداختند و گروه بیوسیستماتیک دانشگاه و تحقیقات Wageningen را در این تحقیق مشارکت دادند.

قاصدک
این تیم در تحقیقات خود از قاصدک استفاده کردند، یکی از حدود 400 گونه گیاهی وحشی که با آپومیکسیس تکثیر می شود. ژن PAR تضمین می کند که سلول های تخمک بدون لقاح به جنین گیاه تبدیل می شوند. محققان KeyGene ثابت کردند که ژن PAR در گرده فعال است.

قاصدک آپومیکتیک سر دمنده، عکس WUR

سلول تخمک فریب خورد
در گروه بیوسیستماتیک دانشگاه و تحقیقات واگنینگن، کشف شد که ژن PAR به طور معمول در سلول های تخمک غیر فعال است. ژن PAR به طور معمول تنها پس از لقاح در سلول تخمک فعال می شود، سپس برای ایجاد یک جنین گیاهی تقسیم می شود. در سلول‌های تخمی گیاهان قاصدک که از طریق آپومیکسیس بذرها را تشکیل می‌دهند، ژن PAR قبل از لقاح «روشن» است. به عبارت دیگر، این سلول‌های تخمک «فکر می‌کنند» بارور شده‌اند و بدون لقاح شروع به تقسیم می‌کنند.

علف شاهین
در نیوزلند، ژن‌های پارتنوژنز نیز توسط محققان دانشگاه لینکلن و تحقیقات گیاهی و غذایی مورد مطالعه قرار می‌گیرند. تحقیقات آنها بر روی تاج شاهین، یک تیره گیاهی که گرگور مندل به طور گسترده مطالعه کرده است، متمرکز است. در اواسط دهه 1800، مندل خاطرنشان کرد که شخصیت‌های گیاهی در نخود و علف شاهین به‌طور متفاوتی به ارث رسیده‌اند، اما او قادر به توضیح دلیل آن نبود. ما اکنون می دانیم که این به این دلیل است که نخود فرنگی از طریق جنسی تولید مثل می کند در حالی که علف شاهین با آپومیکسیس تولید مثل می کند.

علف شاهین و قاصدک متعلق به یک خانواده گیاهی هستند، بنابراین محققان نیوزیلندی ژن PAR را با ژن های تاج شاهین مقایسه کردند و چیزی را کشف کردند که محققان KeyGene در قاصدک ها نیز مشاهده کرده بودند: در حالی که همه گیاهان حاوی ژن PAR هستند، گیاهان دارای آپومیکسیس دارای یک ژن اضافی بودند. قطعه ای از DNA در ژن به نظر می‌رسد که این تکه DNA اضافی تقریباً در همان مکان در ماهی شاهین قرار دارد که در قاصدک وجود دارد، حتی اگر اعتقاد بر این است که گیاهان بیش از 13 میلیون سال پیش از یک اجداد مشترک جدا شده‌اند.

سلول تخم در قاصدک در حال تولید مثل جنسی، عکس WUR.

ژن های پرش
یک سوال مهم بعدی این است که آیا ژن PAR از قاصدک و دانش جدید در مورد تجزیه و تحلیل بیشتر نشان می دهد که قطعه اضافی DNA یک ترانسپوزون نامیده می شود: قطعه ای از DNA که می تواند در DNA گیاه “پرش” کند. در علف شاهین و قاصدک، ترانسپوزون در پروموتور، ناحیه ای از ژن PAR که فعالیت ژن را تنظیم می کند، قرار می گیرد. محققان اکنون فرض می کنند که این ژن های پرش به طور مستقل در هر دو گونه گیاهی به محرک ژن PAR ختم می شوند و این یک مورد از تکامل موازی است.

حالا به محصولات زراعی
یک سوال مهم بعدی این است که آیا ژن PAR از قاصدک و دانش جدید در مورد ژنتیک پشت آپومیکسیس می تواند برای پرورش محصولاتی با دانه های ژنتیکی برتر استفاده شود.

اگرچه بیشتر گیاهان از آپومیکسیس استفاده نمی کنند، اما اکثر آنها دارای ژن هایی هستند که به طور شگفت انگیزی شبیه ژن PAR و همچنین ژن DIP کشف شده قبلی قاصدک هستند. این نشان می دهد که آپومیکسیس به طور طبیعی به عنوان یک اصلاح در تولید مثل جنسی طبیعی عمل می کند و بنابراین، به طور بالقوه همچنین می تواند با استفاده از ابزارهای مدرن مانند ویرایش ژن، برای کشاورزی نوآورانه به طور گسترده ای قابل استفاده باشد.

محققان KeyGene قبلاً این کار را آغاز کرده اند. در تحقیقات اخیر، همراه با دانشمندان Takii Seed، آنها موفق شدند نشان دهند که ژن PAR می تواند باعث ایجاد پارتنوژنز در کاهو و آفتابگردان شود و چشم انداز آپومیکسیس در محصولات را یک گام دیگر به جلو به ارمغان آورد.

پیوند به مقاله در Nature Genetics: https://www.nature.com/articles/s41588-021-00984-y