URBANA, Ill. – Forskare närmar sig att hitta generna för manlighet hos vattenhampa och Palmer amaranth, två av de mest besvärliga jordbruks-ogräsen i USA
Att hitta generna kan möjliggöra nya metoder för "genetisk kontroll" för ogräset, som på många ställen inte längre svarar på ogräsmedel.
"Om vi visste vilka gener som styr manlighet och vi kunde få dessa gener att föröka sig inom befolkningen, skulle varje växt i fältet vara en hane efter några generationer, och teoretiskt sett skulle befolkningen krascha", säger Pat Tranel, professor och biträdande chef i Institutionen för växtvetenskaper vid University of Illinois och huvudförfattare på en studie i Ny fytolog.
Tranel och hans kollegor hade tidigare identifierat molekylära markörer associerade med den manliga genomiska regionen. Efter sekvensering av manliga ogräsgenom för båda arterna kunde forskarna använda dessa markörer för att nollställa den mansspecifika regionen. Nu är de inom 120 till 150 gener från att hitta sitt mål.
"Vi är övertygade om att de flesta av dessa 120 eller så gener förmodligen inte gör någonting. Det är bara saker som har samlats i den regionen av genomet, säger Tranel. "Om jag fick gissa skulle jag säga att kanske 10 av dem faktiskt gör något relevant."
Att begränsa generna relaterade till kön i dessa ogräs skulle kunna ha praktiskt värde för bekämpning, men studien belyser också fenomenet dioecy – manliga och kvinnliga könsorgan på separata individer – mer generellt. De allra flesta djur är tvåbo, men det är sällsynt hos växter. Mer än 90 % av blommande växter har båda könsorganen på samma individ, och ofta inom samma blomma.
Vattenhampa och Palmer amaranth är dock tvåbo.
Dioecy betyder att det är omöjligt för en växt att självpollinera; i stället måste kvinnliga könsceller befruktas av manligt pollen från en annan växt. Det är bra för att säkerställa genetisk mångfald i en befolkning. Och det är troligen det som har gjort vattenhampa och Palmer amaranth så framgångsrika när det gäller att undvika de skadliga effekterna av flera ogräsmedel.
"Hintills har vattenhampa och Palmer amaranth utvecklat resistens mot herbicider som spänner över sju respektive åtta verkningssätt. Tvåhemsreproduktion resulterar i att alla dessa motståndsegenskaper blandas och matchas inom individer. Denna blandning har gjort det möjligt för populationer av båda arterna att kombinera flera herbicidresistenser, vilket lämnar producenterna med få effektiva herbicidval, säger Tranel.
Att förstå det sällsynta fenomenet dioecy i växter kan hjälpa forskare att pussla ihop hur egenskaper ärvs från varje förälder och att förstå hur fenomenet utvecklas.
Till skillnad från djur, där dioecy tros ha utvecklats bara en gång, tror forskare dioecy i växter har utvecklats flera gånger. Och enligt Tranels studie verkar det ha utvecklats oberoende av vattenhampa och Palmer amaranth, två mycket närbesläktade arter.
"Jag är inte redo att säga att vi absolut vet att de utvecklades separat, men all information vi hittade stöder den idén. Endast två av de 120-150 generna liknade varandra i de två arterna, säger Tranel.
En av dessa delade gener, Florigen, hjälper växter att reagera på dagslängden genom att initiera blomning. Tranel vet ännu inte om det bestämmer blommornas kön, men han är intresserad av att det dök upp i den mansspecifika Y-regionen för båda arterna.
”Vi vet inte säkert, men det kanske handlar om att hanar blommar tidigare än honor. Det kan vara fördelaktigt för män eftersom de då skulle fälla pollen när de första honorna blir mottagliga. Så om, i själva verket, Palmer och waterhamp verkligen utvecklade dioecy separat, men båda förvärvade denna Florigen-gen för en fitnessfördel, skulle det vara ett coolt exempel på parallell evolution."
Tranel hoppas kunna begränsa den mansspecifika Y-regionen i båda arterna ytterligare för att isolera generna som bestämmer manlighet. Det finns ingen garanti för att en genetisk kontrolllösning kommer att utvecklas när dessa gener har identifierats – Tranel skulle sannolikt behöva attrahera industripartners för det – men att ha ett sådant verktyg är inte så långt borta som det en gång var.
Artikeln, "Mansspecifika Y-kromosomala regioner i vattenhampa (Amaranthus tuberculatus) och Palmer amaranth (Amaranthus palmeri)", publiceras i Ny fytolog [DOI: 10.1111 / nph.17108]. Författare inkluderar Jacob Montgomery, Darci Giacomini och Pat Tranel från University of Illinois och Detlef Weigel från Max Planck Institute for Developmental Biology. Projektet stöddes av USDA National Institute of Food and Agriculture och Max Planck Society.
Institutionen för växtvetenskap är i Högskolan för jordbruks-, konsument- och miljövetenskaper vid Illinois ogräsvetenskap.