URBANA, Ill. – Οι επιστήμονες πλησιάζουν να βρουν τα γονίδια αρσενικότητας στην κάνναβη και τον αμάρανθο Palmer, δύο από τα πιο ενοχλητικά γεωργικά ζιζάνια στις ΗΠΑ
Η εύρεση των γονιδίων θα μπορούσε να επιτρέψει νέες μεθόδους «γενετικού ελέγχου» για τα ζιζάνια, τα οποία, σε πολλά μέρη, δεν ανταποκρίνονται πλέον στα ζιζανιοκτόνα.
«Αν γνωρίζαμε ποια γονίδια ελέγχουν την αρρενωπότητα και θα μπορούσαμε να κάνουμε αυτά τα γονίδια να πολλαπλασιαστούν στον πληθυσμό, κάθε φυτό στο χωράφι θα ήταν αρσενικό μετά από μερικές γενιές και θεωρητικά, ο πληθυσμός θα συντριβόταν», λέει ο Pat Tranel, καθηγητής και αναπληρωτής επικεφαλής. στο Τμήμα Επιστημών των Φυτών κατά τη Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και επικεφαλής συγγραφέας σε μια μελέτη στο Νέος Φυτολόγος.
Ο Tranel και οι συνεργάτες του είχαν προηγουμένως εντοπίσει μοριακούς δείκτες που σχετίζονται με την ανδρική γονιδιωματική περιοχή. Μετά αλληλουχία γονιδιωμάτων αρσενικών ζιζανίων Και για τα δύο είδη, οι ερευνητές μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους δείκτες για να μηδενίσουν την ειδική για το αρσενικό περιοχή. Τώρα, βρίσκονται μέσα σε 120 έως 150 γονίδια για να βρουν τον στόχο τους.
«Είμαστε σίγουροι ότι τα περισσότερα από αυτά τα 120 περίπου γονίδια μάλλον δεν κάνουν τίποτα. Είναι απλώς πράγματα που έχουν συσσωρευτεί σε αυτήν την περιοχή του γονιδιώματος», λέει ο Tranel. «Αν έπρεπε να μαντέψω, θα έλεγα ότι ίσως 10 από αυτούς κάνουν πράγματι κάτι σχετικό».
Η στένωση των γονιδίων που σχετίζονται με το φύλο σε αυτά τα ζιζάνια θα μπορούσε να έχει πρακτική αξία για τον έλεγχο, αλλά η μελέτη ρίχνει επίσης φως στο φαινόμενο της διοικίας - ανδρικά και γυναικεία γεννητικά όργανα σε ξεχωριστά άτομα - γενικότερα. Η συντριπτική πλειοψηφία των ζώων είναι δίοικα, αλλά είναι σπάνια στα φυτά. Πάνω από το 90% των ανθοφόρων φυτών έχουν και τα δύο σεξουαλικά όργανα στο ίδιο άτομο και συχνά μέσα στο ίδιο λουλούδι.
Το Waterhemp και ο Palmer amaranth, ωστόσο, είναι δίοικοι.
Διοίκηση σημαίνει ότι είναι αδύνατο για ένα φυτό να αυτογονιμοποιηθεί. Αντίθετα, οι θηλυκοί γαμέτες πρέπει να γονιμοποιούνται από αρσενική γύρη από άλλο φυτό. Αυτό είναι καλό για τη διασφάλιση της γενετικής ποικιλότητας σε έναν πληθυσμό. Και πιθανότατα είναι αυτό που έκανε την υδατοκάνναβη και τον αμάρανθο Palmer τόσο επιτυχημένα στην αποφυγή των επιζήμιων επιπτώσεων πολλαπλών ζιζανιοκτόνων.
«Μέχρι σήμερα, η υδατοκάνναβη και ο αμάρανθος Palmer έχουν αναπτύξει αντοχή στα ζιζανιοκτόνα που εκτείνονται σε επτά και οκτώ τρόπους δράσης, αντίστοιχα. Η δίοικη αναπαραγωγή έχει ως αποτέλεσμα όλα αυτά τα χαρακτηριστικά αντίστασης να αναμειγνύονται και να ταιριάζουν μέσα στα άτομα. Αυτή η ανάμειξη επέτρεψε στους πληθυσμούς και των δύο ειδών να συνδυάσουν πολλαπλές αντοχές στα ζιζανιοκτόνα, αφήνοντας τους παραγωγούς με λίγες αποτελεσματικές επιλογές ζιζανιοκτόνων», λέει ο Tranel.
Η κατανόηση του σπάνιου φαινομένου της διοικίας στα φυτά μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να συνεννοήσουν πώς κληρονομούνται τα χαρακτηριστικά από κάθε γονέα και να κατανοήσουν πώς εξελίσσεται το φαινόμενο.
Σε αντίθεση με τα ζώα, στα οποία η διοικία πιστεύεται ότι εξελίχθηκε μόνο μία φορά, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η διοικία στα φυτά έχει εξελιχθεί πολλές φορές. Και, σύμφωνα με τη μελέτη του Tranel, φαίνεται να έχει εξελιχθεί ανεξάρτητα στην υδατοκάνναβη και τον αμάρανθο Palmer, δύο πολύ στενά συγγενικά είδη.
«Δεν είμαι έτοιμος να πω ότι γνωρίζουμε απολύτως ότι εξελίχθηκαν ξεχωριστά, αλλά όλες οι πληροφορίες που βρήκαμε υποστηρίζουν αυτήν την ιδέα. Μόνο δύο από τα 120-150 γονίδια ήταν παρόμοια μεταξύ τους στα δύο είδη», λέει ο Tranel.
Ένα από αυτά τα κοινά γονίδια, το Florigen, βοηθά τα φυτά να ανταποκρίνονται στη διάρκεια της ημέρας ξεκινώντας την ανθοφορία. Ο Tranel δεν γνωρίζει ακόμη αν καθορίζει το φύλο των λουλουδιών, αλλά του ιντριγκάρει το γεγονός ότι εμφανίστηκε στην περιοχή Y που είναι ειδικά για το αρσενικό και για τα δύο είδη.
«Δεν ξέρουμε με βεβαιότητα, αλλά ίσως σχετίζεται με τα αρσενικά που ανθίζουν νωρίτερα από τα θηλυκά. Αυτό θα μπορούσε να είναι επωφελές για τα αρσενικά γιατί τότε θα έριχναν γύρη όταν τα πρώτα θηλυκά γίνουν δεκτικά. Έτσι, αν, στην πραγματικότητα, ο Palmer και το waterhemp εξέλιξαν πραγματικά τη διοικία ξεχωριστά, αλλά και οι δύο απέκτησαν αυτό το γονίδιο Florigen για ένα πλεονέκτημα φυσικής κατάστασης, αυτό θα ήταν ένα καλό παράδειγμα παράλληλης εξέλιξης».
Ο Tranel ελπίζει να περιορίσει ακόμη περισσότερο την ειδική για το αρσενικό Y περιοχή και στα δύο είδη για να απομονώσει τα γονίδια που καθορίζουν την αρρενωπότητα. Δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα αναπτυχθεί μια λύση γενετικού ελέγχου μόλις εντοπιστούν αυτά τα γονίδια – η Tranel πιθανότατα θα χρειαστεί να προσελκύσει βιομηχανικούς εταίρους για αυτό – αλλά η ύπαρξη ενός τέτοιου εργαλείου δεν είναι τόσο μακριά όσο ήταν κάποτε.
Το άρθρο, «Ειδικές για τον άνδρα Υ-χρωμοσωμικές περιοχές στην κάνναβη (Amaranthus tuberculatus) και Palmer amaranth (Amaranthus palmeri),» δημοσιεύεται στο Νέος Φυτολόγος [DOI: 10.1111/nph.17108]. Οι συγγραφείς περιλαμβάνουν τον Jacob Montgomery, τον Darci Giacomini και τον Pat Tranel του Πανεπιστημίου του Ιλινόις και τον Detlef Weigel του Ινστιτούτου Max Planck για την Αναπτυξιακή Βιολογία. Το έργο υποστηρίχθηκε από την Εθνικό Ινστιτούτο Τροφίμων και Γεωργίας USDA και την Εταιρεία Μαξ Πλανκ.
Το Τμήμα Επιστημών Καλλιεργειών βρίσκεται στο Κολλέγιο Γεωπονικών, Καταναλωτικών και Περιβαλλοντικών Επιστημών κατά τη Επιστήμη των ζιζανίων του Ιλινόις.