Bukti melalui genom tanaman

Tanaman menampilkan keragaman yang sangat besar dalam sifat-sifat yang relevan dengan reproduksi, seperti tinggi tanaman, hasil, dan ketahanan hama. Salah satu tantangan terbesar dalam penelitian tumbuhan modern adalah mengidentifikasi perbedaan informasi genetik yang bertanggung jawab atas perbedaan ini.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh kelompok kerja “Produksi Tanaman” di Institut Fisiologi Molekuler di Universitas Heinrich Heine Dusseldorf (HHU) dan Lembaga Sains Carnegie di Stanford telah mengembangkan cara untuk menunjukkan dengan tepat perbedaan khusus dalam informasi genetik ini.

Menggunakan contoh jagung, mereka mendemonstrasikan potensi besar metode mereka di jurnal Biologi Genom dan daerah yang ada dalam genom jagung yang dapat membantu meningkatkan hasil dan ketahanan hama selama pemuliaan.

Cetak biru semua makhluk hidup dikodekan dalam DNA mereka. Ini termasuk gen yang menyandikan protein dan menentukan karakteristik yang melekat pada suatu organisme. Selain itu, ada bagian DNA penting lainnya, khususnya daerah yang mengontrol regulasi gen, yaitu kapan, dalam kondisi apa, dan sejauh mana gen diaktifkan.

Dibandingkan dengan gen, wilayah pengatur ini – juga dikenal sebagai “elemen cis-state” – jauh lebih sulit ditemukan. Perubahan elemen DNA ini sebagian besar bertanggung jawab atas perbedaan antar organisme – dan karena itu juga antara spesies tanaman yang berbeda.

Dalam beberapa dekade terakhir, para peneliti telah menemukan bahwa daerah pengatur adalah tempat pengikatan untuk protein tertentu. Dikenal sebagai faktor transkripsi, mereka menentukan kapan dan bagaimana gen diaktifkan.

Wawancara rekan penulis Dr. Thomas Hartwig, yang mengepalai kelompok penelitian tanaman di HHU Institute for Molecular Physiology dan Max Planck Institute for Plant Breeding Research (MPIPZ) di Cologne, menjelaskan, “Menemukan beberapa perbedaan yang merupakan kunci untuk mengubah sifat seperti resistensi hama memiliki jutaan demi jutaan perbedaan.” Genom non-patogen adalah pencarian terakhir untuk mencari jarum di tumpukan jerami.”

“Tidak seperti gen penyandi protein, situs pengatur biasanya tidak dapat diidentifikasi berdasarkan urutan saja. Hal ini membuat mereka sangat sulit untuk ditentukan. Metode kami menggunakan tanaman hibrida untuk mengukur efek langsung variasi dalam urutan DNA pada pengikatan faktor transkripsi,” kata penulis utama Profesor Dr. Zi Yong Wang dari Carnegie Institution for Science.

Studi ini dikembangkan bekerja sama dengan para peneliti dari Leibniz Institute for Plant Genetics and Plant Crop Research (IPK) di Gattersleben serta dari University of Nebraska-Lincoln dan Iowa State University di AS.

Menggunakan hibrida, yaitu tanaman generasi pertama yang dibuat dengan menyilangkan dua spesies, tim peneliti dapat membandingkan wilayah regulasi yang berbeda di seluruh genom. Rekan penulis Dr. Julia Engelhorn berkata, “Metode analitik kami memungkinkan kami mengukur secara akurat apakah faktor transkripsi lebih mengikat genom ibu atau ayah.” Prosedur ini juga memungkinkan tim untuk mengidentifikasi ribuan perbedaan yang terkait dengan sifat-sifat, seperti hasil dan ketahanan terhadap hama pada jagung.

Teknologi ini telah dibuktikan untuk faktor transkripsi di jalur brassinosteroid, hormon yang terkait dengan pertumbuhan dan penyakit. “Tim telah mengidentifikasi ribuan variasi genomik yang dapat menjelaskan mengapa satu jenis jagung berperilaku berbeda dalam hal hasil atau ketahanannya terhadap penyakit,” kata Direktur Institut Profesor Dr. Wolf B. Frommer. “Selain itu, tim dapat menunjukkan bahwa perbedaan-perbedaan ini hampir seluruhnya bersifat genetik dan epigenetik.” “. Yang terakhir menjelaskan proses yang memengaruhi aktivitas gen tanpa dikodekan dalam urutan DNA itu sendiri.

Salah satu temuan utama dari penelitian ini adalah daftar lebih dari 6.000 wilayah genom yang dapat ditargetkan untuk pemuliaan tanaman. Ini mungkin termasuk daerah di mana sifat-sifat positif diekspresikan dalam varietas jagung tertentu yang tidak dimiliki oleh tanaman lain.

Hartwig mengatakan, “Mengetahui di mana metode pemuliaan modern genom diterapkan untuk mentransfer karakteristik dari taksa tertentu ke yang lain sangat menarik bagi ahli bioteknologi. Studi kami dapat berfungsi sebagai panduan tentang cara menemukan wilayah genom yang diminati.”

Profesor Frommer menambahkan: “Hasil penelitian meletakkan dasar untuk menggunakan teknologi modern untuk menumbuhkan varietas jagung baru dengan menggabungkan variabel optimal secara terampil.”