Satu gen yang lebih dekat dengan sorgum

Para ilmuwan sedang bekerja untuk menyempurnakan atribut kecepatan, kekuatan, dan semi-kekebalan dalam tanaman pangan penting, seperti pahlawan super, yang akan membantu melindungi yang lemah.

Para ilmuwan telah mencapai tonggak sejarah dalam mengejar Superman untuk tanaman sorgum, mengidentifikasi gen tunggal yang memberikan perlindungan luas terhadap penyakit jamur antraknosa, karat dan tempat target.

Melihat lebih dekat pada genom tanaman, mereka juga menemukan apa yang bisa menjadi kryptonite dari kekuatan supernatural ini dan bagian tidak biasa dari DNA motil yang terlibat di dalamnya. resistensi penyakit.

Gen yang baru ditemukan, disebut Anthracnose Resistance Gene1, atau ARG1, tidak biasa dalam beberapa hal, kata Tesfaye Mengisti, profesor dan ketua sementara Departemen Botani dan Patologi Tanaman di Universitas Purdue.

“Meskipun ada beberapa resistensi alami terhadap penyakit jamur di sorgum, gen yang memberikan resistensi luas ini belum diidentifikasi,” katanya. “Luar biasa bahwa satu gen Ini mengarah pada resistensi di seluruh spektrum jamur yang luas dan berbagai jenis antraknosa.”

Sebuah tim peneliti Universitas Purdue, termasuk pemenang Penghargaan Pangan Dunia 2009 Gibessa Ejeta, membuat penemuan melalui proyek yang didukung oleh Badan Pembangunan Internasional Amerika Serikat (USAID) untuk memberi makan Lab Inovasi Masa Depan untuk penelitian kolaboratif sorgum dan millet.

Perubahan iklim diperkirakan akan meningkatkan jumlah dan tingkat keparahan penyakit tanaman, kata Mengisti, yang memimpin penelitian.

“Kami membutuhkan pengendalian penyakit yang lebih kuat untuk mempertahankan pasokan makanan global, dan tanaman yang luar biasa ini selangkah lebih maju dari kami,” kata Mengisti. “Berbagai jenis sorgum telah berevolusi dengan kekuatan dan ketahanan yang berbeda terhadap penyakit. Melalui genetika dan ilmu tanaman, kami mencoba membantu mereka dalam proses beradaptasi dengan lingkungan yang berubah.”

Dengan menemukan gen yang bertanggung jawab untuk sifat yang diinginkan, para ilmuwan dapat membuat biomarker yang memungkinkan pemulia untuk dengan cepat menguji keberadaannya dan memasukkannya ke dalam varietas sorgum yang mengandung sifat bermanfaat lainnya. Pekerjaan tim dirinci dalam makalah penelitian di jurnal Sel tanaman.

“Pentingnya pekerjaan ini tidak dapat terlalu ditekankan,” kata Egita, Profesor Ilmu Pertanian yang Terhormat di Universitas Purdue dan Direktur Eksekutif Pusat Keamanan Pangan Global Purdue. “Ini adalah pencapaian ilmiah yang signifikan dan puncak dari beberapa dekade penelitian kolaboratif untuk meningkatkan sorgum Purdue bersama dengan mitra di negara-negara berkembang.”

Sorgum adalah tanaman biji-bijian utama untuk ketahanan pangan di seluruh dunia, kata Mengisti, yang merupakan bagian dari langkah selanjutnya dalam ilmu tanaman di Purdue dan Purdue Center for Plant Biology.

“Ini adalah tanaman yang sangat tangguh dalam banyak hal, tetapi penyakit jamur dapat memusnahkannya,” katanya. “Antraknosa adalah salah satu patogen terpenting dan menyerang semua bagian tanaman: daun, batang, dan kepala. Antraknosa tidak meninggalkan apa pun untuk makanan, kegunaan utamanya di Afrika; atau biofuel dan pakan ternak, dan kegunaannya di Amerika Serikat.” ”

Langkah sukses untuk memberi makan masa depan

Pada tahun 2014, Badan Pembangunan Internasional Amerika Serikat (USAID) melalui Feed the Future Innovation Lab untuk penelitian kolaboratif pada sorgum dan millet yang dioperasikan oleh Kansas State University melakukan investasi awal dalam penelitian tentang ketahanan tanaman inang terhadap antraknosa di Ethiopia.

“Tujuan kami adalah untuk meningkatkan ketahanan dan ketahanan pangan petani dan konsumen sorgum di Ethiopia dan Afrika Barat,” kata Timothy Dalton, direktur laboratorium dan profesor ekonomi pertanian di Kansas State. “

Mengiste dan tim ilmuwan sebelumnya yang berafiliasi dengan Feed the Future Innovation Lab dan dari Ethiopia telah berhasil mengembangkan kultivar yang disebut Merera, sejenis sorgum yang telah meningkatkan penyakit, ketahanan burung, dan hasil yang lebih baik.

“Dengan peristiwa perubahan iklim atau keniscayaan untuk memproduksi tanaman lahan kering seperti perpindahan sorgum ke daerah dengan curah hujan tinggi atau daerah irigasi, penyakit daun menjadi lebih penting,” kata Egita. “Tepat dalam situasi di mana gen yang kuat menjadi sangat penting.”

“Pengendalian bahan kimia seringkali tidak efektif, tidak ekonomis dan menimbulkan masalah lingkungan,” katanya. “Strategi pengendalian penyakit yang lebih efektif, berkelanjutan secara ekonomi dan ramah lingkungan melibatkan penggunaan genotipe tanaman tahan penyakit. Inilah yang diinginkan petani, karena mereka mengadopsi galur baru sorgum.”

Gen yang tidak biasa dipengaruhi oleh DNA parasit

Upregulasi ARG1 tidak biasa; Itu tertanam dalam gen kedua, dan kedua gen tampaknya diubah oleh bagian kecil dari DNA motil yang disebut elemen transposabel.

Unsur-unsur transposable seperti virus molekuler atau parasit yang hidup dalam genom dan diturunkan dari generasi ke generasi, kata Damon Leech, profesor botani dan patologi tanaman yang terlibat dalam penelitian.

Gen yang termasuk ARG1 adalah sense antisense RNA. Ekspresinya bertentangan dengan ARG1, katanya, yang mengarah ke situasi di mana keduanya bisa saling mengganggu.

Semua tanaman sorgum memiliki salinan dari dua gen ini, katanya, tetapi spesies sorgum yang rentan mengekspresikan terlalu banyak RNA anti alergi dan terlalu sedikit ARG1, yang juga tampaknya mengkodekan protein yang tidak berfungsi. Transkrip ARG1 yang tahan penyakit diekspresikan pada tingkat yang jauh lebih tinggi, mengkodekan protein fungsional, dan mengikat gen RNA antisense yang ditolak, menghasilkan lebih sedikit interferensi.

Di sinilah barang-barang yang bisa diangkut tampaknya dimainkan, kata Lich.

“Pengenalan barang yang dapat dipertukarkan seringkali berbahaya,” katanya. “Namun, dalam kasus ini, elemen transposabel tampaknya bermanfaat dengan ‘memprogram ulang’ kedua gen untuk meningkatkan ketahanan terhadap patogen jamur. Dan di satu sisi, itu memperbaiki sistem yang tidak berfungsi pada tanaman.”

Lisch menemukan elemen transposabel yang terkait dengan ARG1 ketika dia memeriksa genom galur sorgum yang tahan penyakit dan rentan. belajar item yang dapat dikonversi Dan DNA portabel lainnya, yang dia suka cari “untuk bersenang-senang” dalam genom yang dibagikan di antara rekan-rekannya.

“Unsur-unsur yang dapat ditransformasi diketahui terlibat dalam beberapa penyakit manusia dan tanaman, tetapi keterlibatan mereka dalam resistensi penyakit jarang terjadi — saat ini,” katanya. “Berkat kemajuan teknologi, kami dapat mengidentifikasi untaian DNA parasit ini dalam urutan gen, dan menemukannya di mana-mana.

Gabungkan penelitian terapan dan dasar

Hasilnya dapat menginformasikan penelitian genetik lainnya dalam sorgum dan spesies tanaman lainnya, serta cara untuk menyesuaikan ekspresi gen, kata Mengist. Kombinasi penelitian dasar dan terapan memberikan informasi yang kaya. Beberapa akan digunakan sekarang, dan yang lain dapat mengarah pada inovasi di masa depan.

“Kami bisa saja berhenti setelah mengidentifikasi gen ARG1, tetapi kami menggali lebih dalam,” katanya. “Jika tidak, kami mungkin berpikir kami dapat dengan mudah memperbaiki protein yang terlibat dalam resistensi. Sekarang kami memiliki pemahaman yang jauh lebih besar tentang regulasi gen dan wawasan tambahan tentang bidang baru yang dapat menjadi revolusioner dalam botani.”