Aby dziki ryż stał się kulturalny, wystarczy jedna mutacja • Alexander Markov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Genetyka

Aby dziki ryż mógł zostać wyhodowany, wystarczy jedna mutacja

Po raz pierwszy ryż zaczął uprawiać się w Azji Południowo-Wschodniej ponad 6000 lat temu. Dzisiaj ryż jest głównym pożywieniem ludzkości, zasila ponad połowę światowej populacji (zdjęcie z www.sciencedaily.com)

Podobnie jak w przypadku pszenicy, kluczowym aspektem udomowienia (uprawy) ryżu było pojawienie się odmiany z niepływającymi nasionami, co pozwoliło starożytnym rolnikom drastycznie zmniejszyć straty zbiorów. Naukowcy z Uniwersytetu Michigan (USA) zidentyfikowali genetyczne tło tego wydarzenia. Pojawienie się uprawianego ryżu było spowodowane zastąpieniem pojedynczego aminokwasu białkiem regulatorowym, które kontroluje tworzenie "warstwy oddzielającej" pomiędzy ziarnem a łodygą.

Przodek kultywowanego ryżu (Oryza sativa) jest uważany za dziko rosnący gatunek ze spadającymi nasionami O. nivara lub blisko niego O. rufipogon (lub może oba te). Ostatnio okazało się, że odcięcie nasion zależy od genu, który otrzymał nazwę kodową sh4. Zostało to odkryte dzięki metodom klasycznej genetyki, krzyżowaniu dzikiego ryżu z ryżem kulturowym i liczeniu liczby potomków z spadającymi i niepływającymi nasionami w pierwszej i drugiej generacji mieszańców. Do dzikiego ryżu O. nivara charakterystyczny dominujący allel tego genu, odpowiadający spadającym ziarnom; recesywny allel charakterystyczny dla ryżu domowego dostarcza niezapadające nasiona. Jednak do tej pory nie było wiadomo, jaką funkcję spełnia białko kodowane przez ten gen i jak kontroluje odrzut nasion.

Tym razem naukowcy postawili sobie za cel ostateczne rozwiązanie tego problemu. Przekraczanie różnych rodzajów i odmian ryżu oraz analizowanie ilościowego rozmieszczenia różnych kombinacji upadku / niewinności nasion z innymi cechami (markery genetyczne) umożliwiło zlokalizowanie segmentu DNA o długości 1700 nukleotydów zlokalizowanego na chromosomie 4 i niosącego pożądaną mutację (lub zespół mutacji w tym czasie to jeszcze nie było znane).

Kolejnym etapem badania było sekwencjonowanie (określanie sekwencji nukleotydów) i porównywanie tej części genomu u roślin z spadającymi i niepływającymi nasionami. Stwierdzono, że brak opadów był spowodowany podstawieniem pojedynczego nukleotydu: tymina (T) z dzikiego ryżu została zastąpiona domową guaniną (G), co doprowadziło do zastąpienia aminokwasu lizyny przez asparaginę w odpowiednim białku.

Samo białko, sądząc po jego sekwencji aminokwasów, jest czynnikiem transkrypcyjnym (patrz także: "Ewolucji człowieka towarzyszyła zmiana aktywności genów regulatorowych", Przedmioty13.03.2006), czyli jego funkcją jest regulacja aktywności niektórych innych genów. Naukowcy nie byli zbyt leniwi, aby to sprawdzić eksperymentalnie. Zastosowali technologię inżynierii genetycznej: dołączono do genu sh4 gen zielonej meduzy fluorescencyjnej i wprowadził ten projekt do komórek roślinnych. W komórkach gen chimerowy został przetłumaczony na chimeryczne świecące białko, a jądra komórkowe były oświetlone zielonymi światłami. Potwierdziło to sh4 koduje czynnik transkrypcyjny (lub przynajmniej jakiś rodzaj białka jądrowego), ponieważ czynniki transkrypcyjne, w przeciwieństwie do ogromnej większości innych białek, koncentrują się w jądrze, gdzie regulują pracę genów, a w innych częściach komórki nie mają nic wspólnego.

Zaprogramowane rozdzielenie niektórych narządów i części (na przykład dojrzałych owoców lub martwych liści) odgrywa ważną rolę w życiu roślin, ale mechanizmy tego procesu są nadal słabo poznane.Wiadomo, że zwykle w miejscu, w którym powinno nastąpić oddzielenie, z komórek o specjalnej strukturze powstaje "warstwa oddzielająca". W dzikim ryżu, pomiędzy ziarnem a łodygą, znajduje się "warstwa oddzielająca", która jest wyraźnie odróżnialna w przekrojach, składająca się z małych cienkościennych komórek. W hodowlanym ryżu warstwa ta jest tylko częściowo uformowana, tak że ziarno pozostaje mocno przytwierdzone do łodygi. Naukowcy sprawdzili, które części rośliny wyrażają gen (to jest bieganie) sh4. Okazało się, że działa tam, gdzie tworzy się warstwa rozdzielająca, podczas gdy w innych częściach rośliny nie wykrywa się ekspresji tego genu (w eksperymentach z opisanym powyżej zielonym fluorescencyjnym białkiem gen był zmuszony do wyrażania się w korzeniach przy użyciu specjalnych sztuczek inżynierii genetycznej ).

Aby ostatecznie potwierdzić swoje odkrycia, naukowcy wprowadzili "dziką" wersję genu do kultywowanego genomu ryżu sh4 i byli przekonani, że prowadzi to do utworzenia normalnej (to znaczy kompletnej) warstwy oddzielającej.

Wygląda na to, że udomowienie ryżu było związane z selekcją roślin niosących zmutowaną wersję genu sh4. Mutacja prawdopodobnie nie całkowicie dezaktywowała odpowiednie białko, ale tylko nieznacznie "zepsuła" je, w przeciwnym razie warstwa rozdzielająca nie uformowałaby się wcale, co spowodowałoby poważne problemy podczas omłotu. Wydaje się, że małe zmiany genów regulatorowych odegrały ważną rolę w udomowieniu innych roślin, przynajmniej odpowiednie dane są już dostępne dla kukurydzy i pomidorów.

Źródło: Changbao Li, Ailing Zhou, Tao Sang. Udomowienie ryżu poprzez zmniejszenie rozbicia // Nauka. 2006. V. 311. P. 1936-1939.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: