روش جدید توسعه یافته می تواند به شناسایی تفاوت های خاص در اطلاعات ژنتیکی کمک کند

گیاهان از نظر صفات مربوط به اصلاح مانند ارتفاع بوته، عملکرد و مقاومت در برابر آفات تنوع بسیار زیادی دارند. یکی از بزرگترین چالش‌ها در تحقیقات گیاهی مدرن، شناسایی تفاوت‌های اطلاعات ژنتیکی است که مسئول این تنوع هستند. یک تیم تحقیقاتی به رهبری گروه کاری “بازده محصول” در موسسه فیزیولوژی مولکولی در دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف (HHU) و موسسه علوم کارنگی در استنفورد اکنون روشی را برای شناسایی دقیق این تفاوت های خاص در اطلاعات ژنتیکی ایجاد کرده اند. آنها با استفاده از مثال ذرت، پتانسیل بزرگ روش خود را در مجله Genome Biology نشان می‌دهند و مناطقی را در ژنوم ذرت ارائه می‌کنند که ممکن است به افزایش عملکرد و مقاومت در برابر آفات در طول اصلاح نژاد کمک کند.

نقشه همه موجودات در DNA آنها رمزگذاری شده است. این شامل ژن‌هایی است که پروتئین‌ها را کد می‌کنند و ویژگی‌های ذاتی ارگانیسم را تعیین می‌کنند. علاوه بر این، بخش‌های مهم دیگری از DNA وجود دارد، به‌ویژه مناطقی که تنظیم ژن‌ها را کنترل می‌کنند، یعنی ژن‌ها در چه زمانی، تحت چه شرایطی و تا چه اندازه فعال می‌شوند.

با این حال، در مقایسه با ژن‌ها، یافتن این مناطق تنظیم‌کننده – که به عنوان “عناصر cis” نیز شناخته می‌شوند، دشوار است. این تغییرات دقیقاً در این عناصر DNA است که تا حد زیادی مسئول تفاوت بین موجودات است – و بنابراین بین گونه های مختلف گیاهی.

در چند دهه گذشته، محققان کشف کرده اند که مناطق تنظیمی محل اتصال پروتئین های خاص هستند. این فاکتورها که به عنوان فاکتورهای رونویسی شناخته می شوند تعیین می کنند که ژن ها چه زمانی و چه مدت فعال می شوند.

نویسنده همکار دکتر توماس هارتویگ، که سرپرستی گروه تحقیقاتی محصول در مؤسسه فیزیولوژی مولکولی HHU و مؤسسه تحقیقات اصلاح نباتات ماکس پلانک (MPIPZ) در کلن را بر عهده دارد: “پیدا کردن تغییرات معدود کلیدی برای تغییر صفاتی مانند آفات مقاومت در میان میلیون‌ها و میلیون‌ها تفاوت ژنومی غیر عاملی، جستجوی نهایی برای یافتن یک سوزن در انبار کاه است.”

برخلاف ژن‌های کدکننده پروتئین، مکان‌های تنظیمی معمولاً بر اساس توالی به تنهایی قابل شناسایی نیستند. این امر تعیین دقیق آنها را بسیار دشوار می کند. روش ما از گیاهان هیبریدی برای اندازه گیری اثرات مستقیم تغییر در توالی DNA بر اتصال فاکتور رونویسی استفاده می کند.

دکتر ژی یونگ وانگ، نویسنده اصلی، پروفسور، موسسه علمی کارنگی

این مطالعه با همکاری محققان موسسه ژنتیک گیاهی و تحقیقات گیاهان زراعی لایب‌نیتس (IPK) در گترسلبن و همچنین دانشگاه نبراسکا-لینکلن و دانشگاه ایالتی آیووا در ایالات متحده انجام شد.

تیم تحقیقاتی با استفاده از هیبریدها، یعنی اولین نسل از گیاهان ایجاد شده از تلاقی دو گونه، می توانند مناطق تنظیمی را در کل ژنوم مقایسه کنند. دکتر جولیا انگلهورن یکی از نویسندگان مقاله: “روش تحلیلی ما به ما امکان می دهد دقیقاً اندازه گیری کنیم که آیا فاکتورهای رونویسی بیشتر به ژنوم مادری یا پدری متصل می شوند.” این روش همچنین تیم را قادر به شناسایی هزاران تفاوت مرتبط با صفات، مانند عملکرد و مقاومت به آفات در ذرت کرده است.

این فناوری برای یک فاکتور رونویسی در مسیر براسینوستروئید، هورمونی مرتبط با رشد و بیماری، نشان داده شد. پروفسور دکتر ولف بی فرومر، مدیر موسسه: “این تیم هزاران تنوع ژنومی را شناسایی کرده است که می تواند توضیح دهد چرا یک نوع ذرت از نظر عملکرد یا مقاومت در برابر بیماری رفتار متفاوتی دارد. علاوه بر این، تیم توانست نشان دهد که این تفاوت ها تقریباً به یک اندازه ژنتیکی و اپی ژنتیکی.” دومی فرآیندهایی را توصیف می کند که بر فعالیت ژن تأثیر می گذارد بدون اینکه در خود توالی DNA کدگذاری شود.

یکی از نتایج اصلی این مطالعه، فهرستی از بیش از 6000 منطقه ژنومی است که می‌توانند برای اصلاح گیاهان هدف قرار گیرند. اینها ممکن است شامل مناطقی باشد که از طریق آنها صفات مثبت در گونه های خاصی از ذرت که سایر گیاهان فاقد آن هستند بیان می شود.

هارتویگ: “دانستن اینکه در کجای ژنوم می‌توان روش‌های اصلاحی مدرن را برای انتقال ویژگی‌ها از گونه‌های خاص به گونه‌های دیگر به کار برد، برای بیوتکنولوژی اهمیت زیادی دارد. مطالعه ما ممکن است به عنوان راهنمای چگونگی یافتن این مناطق ژنومی جالب باشد.” پروفسور فرومر می افزاید: “یافته های مطالعه پایه و اساس استفاده از تکنیک های مدرن برای کشت انواع جدید ذرت با ترکیب ماهرانه گونه های بهینه را ایجاد می کند.”

این مطالعه از طریق CEPLAS Cluster of Excellence در HHU، بنیاد تحقیقات آلمان (DFG)، مؤسسه علوم کارنگی، پروفسور الکساندر فون هومبولت ولف بی فرومر، مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده و وزارت امور اقتصادی دریافت کرد. ، گردشگری، کشاورزی و جنگلداری ساکسونی-آنهالت.