Већ следећег месеца, пробни усев Харди Соргхума могло би почети да се креће под надстрешницама за задржавање мрежице у источној Аустралији. Биљке могу изгледати обичне, али у својим генима се не скрива нешто револуционарно.
Ако је суђење успех, свака биљка ће заобићи сексуалну репродукцију и поставиће семе на хиљаде клонова у свакој цветној глави.
Суђење ХИ-СХине Соргхум је кулминација деценија рада за физиолог биљног колтунов на Универзитету у Куеентунову у Брисбанеу, Аустралији, која је почела да истражи „семе без сексуалних семена“ почетком 1990-их. Технологија подразумева куирк природе – познат као апомиксис. Више од 300 врста цветних биљака природно производи клонално семенке кроз апомиксис, али ниједно нису важни зрно. Истраживачи кажу да је потрага доношења апомиксиса на биљке попут Соргхум, пиринча и кукуруза (кукуруз) сада на ивици трансформације пољопривреде.
Како усеве отпорне на климе: Научници кажу да је тајна у прљавштини
„Дефинитивно ће довести до револуције“, каже Кејиан Ванг, генетичар у Кини Националном истраживачком институту за истраживање риже у Хангзхоуу, који ради на посебним експериментима апомиксима.
Колтунов каже да њен рад обећава да ће пољопривредницима средства дати у субсахарској Африци приступа приступачном сортеру високог приноса (Сирем двополан) и кравпеа (Вигна унгуицулата) усеви. Ти пољопривредници су могли да сачувају клонално семенке да сеју неколико година, даљим смањењем трошкова. Ово су неки од разлога због којих је Колтуновово истраживање подржало Фондације Гатеса, добротворна организација у Сеаттлу, Васхингтон.
Други сарадник у пројекту ХИ-ГАИН је мултинационална компанија семена Цортева Агресциска, са седиштем у Индианаполису, Индиана. То је зато што су апомиктиране биљке потенцијално благодат за семенске компаније које продају на великим размерама пољопривредног тржишта широм света. Апомикис је могао да кошира време потребно за креирање нових сорти и поправити пожељне особине у биљкама које производе сопствене клонове. „Смањење трошкова (може бити) огромно“ за те компаније, каже Колтунов.
Клоновачка производња семена на тржишту је надохват руке, укључујући пиринач, укључујући рижу – зрна која се храни више од половине светске популације. У последњих неколико година дошло је до буке патентних апликација за различите апомичке усеве. Ипак, истраживачи кажу да неки кључни препреке остају пре него што се ови напредак заиста може искористити. „Сада када смо га добили да радимо као концепт, морамо да преиспитујемо ствари“, каже Венкатесан Сундаресан, биљни репродуктивни биолог на Универзитету у Калифорнији, Давис.
Причвршћивање енергије
Долазак семенке за секс за растуће усеве могао би да трансформише већи део пољопривреде, најважније производњу хибридних семенки. За неке од главних усева који се узгајају широм света, попут кукуруза, пиринча и парадајза, пољопривредници се сјетвају хибридно семе генерацијама.
Када се две матичне сорте пређу сексуалном репродукцијом, резултирајући хибридни потомство обично надмашује оба родитеља – феномен познат као хибридна енергија. Између 1930. и средином 1990-их, приносе са кукурузних култура у Сједињеним Државама порасли су се седмоструко, дијелом само зато што су пољопривредници усвојили праксу сетве хибридне семенке да би произвели ред после реда једнократних робусних биљака.
Али прављење хибрида је напорно, потребно је да се креира и дуготрајно и скупо и хибридно семенке – и купљено – поново је купљено. То је зато што ако се хибриди препусте само-абритирају, они производе усев биљака различитог квалитета, резултат сексуалног мешања репродукције и усклађивање биљних гена у нове комбинације (види „Стварање клонираних култура“).
Извор: Ванг, И. и Ундервоод, ЦЈ Цурр. Биол. 33Р293-Р295 (2023)
Са апомиксисом, хибридна енергија би била „фиксирана“, јер би се хибриди моли клонирали, пружајући узгајиваче – и пољопривреднике – са бескрајним снабдевањем висококвалитетних, идентичних биљака. Ово би такође могло помоћи у производњи усева попут пшенице и соје пасуља, за које се показало превише тешко да производи хибриде. Апомикис би омогућило да развије елитне сорте ових усева у којима су особине фиксиране из једне генерације на другу.
До 1940-их истраживачи су успели да је апомиксис имао генетску основу. Али то није било до 1990-их које су Колтунов и други препознали да особина не надјачава сексуалну репродукцију. Уместо тога, то је „врста измењеног сексуалног пута“, каже Уели Гроссениклаус, биљни генетичар на Универзитету у Цириху, Швајцарска. На том путу су потребне две иновације: Подељења ћелија током формирања ћелија јаја и сперме морају бити поремећене; А ембрион треба да се формира независно од оплодње. ТИАМ ГросСикЛаус је спровео неколико експеримената у којима су биљке намерно мутиране да виде да ли су неки мутанти показали ове промене.
До 2009. године је да су истраживачи успешно пореметили поступак сексуалног ћелија, познат као меиоза, да опонашају оно што се јавља у природним апомиксама1. Рапхаел Мерциер, биљни генетичар тада је национални институт за пољопривредно истраживање у Версејле, Француска, покушавао да разуме како митоза – једноставан процес у којем ћелија дели у две идентичне ћелије – еволуира се у сложени ћелијски плес меиозе, кључни део сексуалне репродукције. Мејоза укључује двије ћелијске поделе уместо једне, а ћелије од јаја и сперме садрже половину уобичајеног броја хромозома, тако да се у комбинацији током оплодње, пуни додатак хромозома обновљено.
Коришћење Арабидопсис Тхалианамали унос у купусу који је постао радна коња лабораторија за биљне генетике, Мерциер је идентификовала ген који је учествовао у једној од три пресудне иновације које су митоза претворила у меиозу у мејозу током еволуције. Потом је пореметио тај ген, заједно са генима који су пресудни за друга два стуба мејозе, да би се видело да ли би се мејоза могла претворити у митозу.
Како би пољопривреда могла постати врхунски алат за промену климе
„Радио је само (као и) очекивано“, каже Мерциер, сада на Мак Планцк Институту за истраживање биљака у Келну, Немачка. У цвећу резултирајуће троструке мутант – назван Миме, За митозу уместо меиозе – сперме и јајне ћелије су садржали исти сет хромозома као њиховог родитеља, који су направили једноставније ћелијске поделе митозе, а не сложеније мејозе1. Мерциер каже да је одмах препознао потенцијал Миме за инжењерско апомиксис у биљкама. Он и његове колеге прате се Миме пиринач2 2016. године и Миме парадајз3 2024. Биљке би биле могле да репродукују, али зато што су ћелије јаја и спермеса садржане два пута нормални број хромозома, потомство је такође примило двоструку дозу хромозома, што је довело до смањења плодности у свакој генерацији. Био је то корак у правом смеру, али само половина слагалице апомиксија.
ГросСениклаус и његов тим открили су алтернативу Миме У кукурузу. Екран од 60.000 мутаната појавило се један ген, зван не-редуктивно у женки4 (нрф4), да, када је пореметила, узрокује да се једна трећина јајних ћелија формира кроз митозу уместо меиозе. Овај рад, укључујући формирање првог клонског семена у усевима користећи нрф4 Мутант, прекривен је патентама4.
Рођење
Друга основна компонента апомиксија је партеногенеза, којом се ембрион формира директно из неплодних јајних ћелија – није потребан мушки. 2006. године, Пегги Озиас-Акинс, молекуларни генијерист на Универзитету Грузије у Тифтону, и њене колеге усредсредили су се на фонтану (Ценцхрус Скуамулатус) – природни апомик – који је изгледао као добар кандидат за који садржи апомиксис ген5. Ген који су идентификовани били су слични Беба боомашто може изазвати биљно ткиво спонтано формирати ембрионе. Али то је узела групу Озиаса-Акинса скоро две деценије да потврди своје предавање о улози гена у апомиксију. Увели су женски ген фонтане у Пеарл Миллету (Пенсетум глауцум) – које репродукује сексуално – и открила да су ембриони спонтано развили без оплодње6. „То је било прилично узбудљиво“, каже Озиас-Акинс.
Међународни тим истраживача створио је тип сирева који може да репродукује асексуално и ускоро ће га тестирати у теренском суђењу у Аустралији.Кредит: Гетти
У међувремену, Сундаресан је био на уму Беба боома из потпуно другачијег правца. „Моја лабораторија у то у уопште није радила на апомиксију“, каже он. Уместо тога, његова група је тражила гене који су активни током пресудног преласка са неплодних јајних ћелија до оплођеног који се може развити у ембрион.
Рад са пиринчем, Сундаресан-ов тим је извукао РНА – производ читања активних гена – од појединачних јајних ћелија у сатима одмах након опрашивања. Открили су то Беба боома РНА је обилна. Сундаресан-ова група је то показала Беба боома глумио се као окидач за ембриогенезу, а активна копија гена достављена је у јајне ћелију спермом7. Следеће, Сундаресан и његов колега Имтииаз Кхандаи, агрономист на Универзитету у Калифорнији, Давис, показао је да сперме уопште није потребно. Убацио су копију Беба боома Гене са упутствима за укључивање у ћелији јаја – где је његова копија гена ушуткала. Овом техником, тим поставља ембриогенезу у покрету8.
Све то стављајући заједно
Након што је Сундаресан сазнао за то Миме Рак од риже у 2016. године, контактирао је Мерциер да сарађује у комбинацији Миме и Беба боома. Уредили су Миме Гени у пиринчу који садрже јаја-ћелијски Беба боома. На то, постигли су дуготрајни циљ поља: апомиктирало постројење које пропагира сам8. Иако је ефикасност била лоша – само 10-30% семенки биле су клонале – рад је пружио доказ концепта за комбиновање два суштинска елемента апомиксиса у вриједним врстама усева.
Гљивица сланина и бургери инсеката: Водич за протеине будућности
