Die Forschung holt zur am schnellsten wachsenden Pflanze der Welt auf

Die Forschung holt zur am schnellsten wachsenden Pflanze der Welt auf

Salk-Forscher entdecken, dass Miniatur-Wasserpflanzen Einblicke in die Prinzipien des Genomdesigns bieten, die die Entwicklung von Nutzpflanzen der nächsten Generation ermöglichen könnten.

LA JOLLA-WolffiaDie Wasserlinse, auch Wasserlinse genannt, ist die am schnellsten wachsende bekannte Pflanze, doch die Genetik, die dem Erfolg dieser seltsamen kleinen Pflanze zugrunde liegt, war den Wissenschaftlern lange Zeit ein Rätsel. Dank der Fortschritte bei der Genomsequenzierung erfahren Forscher jetzt, was diese Pflanze einzigartig macht – und entdecken dabei einige grundlegende Prinzipien der Pflanzenbiologie und des Pflanzenwachstums.

Eine von Wissenschaftlern des Salk Institute geleitete Forschungsarbeit mit mehreren Forschern berichtet über neue Erkenntnisse über das Genom der Pflanze, die erklären, warum sie so schnell wachsen kann. Die Studie, veröffentlicht in der Februarausgabe 2021 von Genomforschung, wird Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie Pflanzen Kompromisse zwischen Wachstum und anderen Funktionen eingehen, etwa dem Wurzelnschlagen und der Abwehr von Schädlingen. Diese Forschung hat Auswirkungen auf die Entwicklung völlig neuer Anlagen, die für bestimmte Funktionen optimiert sind, beispielsweise eine erhöhte Kohlenstoffspeicherung, um zur Bekämpfung des Klimawandels beizutragen.

„Dank wirklich einfacher Organismen wie Hefen, Bakterien und Würmern wurden in der Wissenschaft große Fortschritte gemacht“, sagt er Todd Michael, Erstautor des Artikels und Forschungsprofessor am Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory in Salk. „Die Idee hier ist, dass wir eine absolut minimale Pflanze verwenden können Wolffia die grundlegende Funktionsweise dessen zu verstehen, was eine Pflanze zu einer Pflanze macht.“

Wolffia, Die in Süßwasser auf allen Kontinenten außer der Antarktis vorkommende Pflanze sieht aus wie winzige schwimmende grüne Samen, wobei jede Pflanze nur die Größe eines Stecknadelkopfes hat. Es hat keine Wurzeln und nur eine einzige verwachsene Stängel-Blatt-Struktur, die Wedel genannt wird. Sie vermehrt sich ähnlich wie Hefe, wenn aus der Mutterpflanze eine Tochterpflanze hervorgeht. Einige Experten gehen davon aus, dass die Verdoppelungszeit bereits bei einem Tag liegt Wolffia könnte eine wichtige Proteinquelle für die Ernährung der wachsenden Erdbevölkerung werden. (Es wird bereits in Teilen Südostasiens gegessen, wo es als Khai-nam bekannt ist, was übersetzt „Wassereier“ bedeutet.)

Um zu verstehen, welche Anpassungen in WolffiaDa das Genom für sein schnelles Wachstum verantwortlich ist, züchteten die Forscher die Pflanzen in Licht-/Dunkel-Zyklen und analysierten sie dann, um festzustellen, welche Gene zu verschiedenen Tageszeiten aktiv waren. (Das Wachstum der meisten Pflanzen wird durch den Hell-Dunkel-Zyklus reguliert, wobei der Großteil des Wachstums morgens stattfindet.)

"Überraschenderweise, Wolffia hat im Vergleich zu anderen Pflanzen nur halb so viele Gene, die durch Hell-Dunkel-Zyklen reguliert werden“, sagt Michael. „Wir glauben, dass es deshalb so schnell wächst. Es gibt keine Vorschriften, die den Zeitpunkt des Wachstums einschränken.“

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass Gene, die mit anderen wichtigen Verhaltenselementen von Pflanzen wie Abwehrmechanismen und Wurzelwachstum in Zusammenhang stehen, nicht vorhanden sind. „Diese Pflanze hat die meisten Gene verloren, die sie nicht braucht“, fügt Michael hinzu. „Es scheint sich so entwickelt zu haben, dass man sich nur noch auf unkontrolliertes, schnelles Wachstum konzentriert.“

„Daten über die Wolffia „Das Genom kann wichtige Einblicke in das Zusammenspiel zwischen der Entwicklung des Körperbauplans von Pflanzen und ihrem Wachstum liefern“, sagt HHMI-Forscher und Professor Josef Ecker, der auch Direktor des Genomic Analysis Laboratory von Salk und Mitautor des Artikels ist. „Diese Pflanze verspricht, ein neues Labormodell für die Untersuchung der zentralen Merkmale des Pflanzenverhaltens zu werden, einschließlich der Art und Weise, wie Gene zu verschiedenen biologischen Aktivitäten beitragen.“

Ein Schwerpunkt von Michaels Labor liegt darin, zu lernen, wie man neue Pflanzen von Grund auf entwickelt, damit sie für bestimmte Verhaltensweisen optimiert werden können. Die aktuelle Studie erweitert das Wissen über die grundlegende Pflanzenbiologie und bietet Potenzial zur Verbesserung von Nutzpflanzen und Landwirtschaft. Indem Pflanzen besser in die Lage versetzt werden, Kohlenstoff aus der Atmosphäre in ihren Wurzeln zu speichern, ein Ansatz, der von Salk entwickelt wurde Initiative Nutzpflanzenkönnen Wissenschaftler Pflanzen optimieren, um der Bedrohung durch den Klimawandel zu begegnen.

Michael plant, sein Studium fortzusetzen Wolffia um mehr über die genomische Architektur der Pflanzenentwicklung zu erfahren, indem Sie diese vereinfachte Pflanze verwenden, um die Netzwerke zu verstehen, die das Schicksal steuern.

Weitere Autoren der Studie waren Nolan Hartwick, Florian Jupe und Justin P. Sandoval von Salk; Evan Ernst und Robert A. Martienssen vom Cold Spring Harbor Laboratory; Philomena Chu, Sarah Gilbert und Eric Lam von Rutgers, The State University of New Jersey; Douglas Bryant und Todd C. Mockler vom Donald Danforth Plant Science Center; Stefan Ortleb, Jörg Fuchs und Ljudmylla Borisjuk vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Deutschland; Erin L. Baggs und Ksenia V. Krasileva von der University of California, Berkeley; K. Sowjanya Sree von der Central University of Kerala in Indien; und Klaus J. Appenroth von der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Deutschland.

Diese Arbeit wurde vom US-Energieministerium, dem Office of Science und dem Office of Biological and Environmental Research-Programm finanziert. Es wurde auch durch einen Zuschuss des Hatch-Projekts der New Jersey Agricultural Experiment Station an der Rutgers University und des Howard Hughes Medical Institute unterstützt.

DOI: 10.1101 / gr.266429.120