เว็บสล็อต พบเป้าหมายใหม่สำหรับการปรับปรุงพันธุกรรมพืชผล

เว็บสล็อต นักวิทยาศาสตร์ของ Rothamsted ได้ค้นพบชุดของการค้นพบที่ไม่คาดคิดภายในจีโนมข้าวสาลีซึ่งพวกเขากล่าวว่าจะนำไปสู่ข้าวสาลีพันธุ์ใหม่ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเมื่อพิจารณาจากพื้นที่ ‘โปรโมเตอร์’ เกือบ 1300 แห่งที่ควบคุมการทำงานของยีนในข้าวสาลีเชิงพาณิชย์ แลนด์เรซ และบรรพบุรุษที่แตกต่างกัน 95 ชนิด ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าภูมิภาคโปรโมเตอร์เหล่านี้มีความคล้ายคลึงกันอย่างมาก

เมื่อเปรียบเทียบพันธุ์ข้าวสาลีที่แตกต่างกัน

การที่บริเวณโปรโมเตอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหมายความว่าพวกมันมีแนวโน้มที่จะมีความสำคัญพอ ๆ กับส่วนหนึ่งของการเข้ารหัสยีนสำหรับโปรตีน และเมื่อเห็นความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างแต่ละสายพันธุ์ สิ่งเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อลักษณะของพืช

ลักษณะดังกล่าวรวมถึงคุณภาพของเมล็ดพืช ประสิทธิภาพการใช้สารอาหาร การต้านทานโรค และการปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

ตามที่ผู้เขียนคนแรก ดร. Michael Hammond-Kosack งานวิจัยใหม่นี้นำเสนอเหมืองทองคำที่มีศักยภาพสำหรับนักปรับปรุงพันธุ์พืชและนักวิจัยที่ต้องการปรับปรุงพืชผล

“แม้ทำงานมาหลายทศวรรษเพื่อผลิตพันธุ์ที่ดีและให้ผลผลิตสูงขึ้น ผลผลิตข้าวสาลีที่ปลูกในฟาร์มก็เพิ่มขึ้นอย่างชะงักงันในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

“ความพยายามในการเพาะพันธุ์ระดับโมเลกุลส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การพยายามผสมลำดับที่แตกต่างกันโดยอิงจากส่วนการเข้ารหัสโปรตีนของยีนที่รับผิดชอบโดยตรงสำหรับลักษณะ สิ่งที่เราได้แสดงให้เห็นคือขอบเขตการกำกับดูแลเหล่านี้อาจมีความสำคัญพอๆ กับเป้าหมายสำหรับการปรับปรุง”

ผลการวิจัยนี้เผยแพร่สู่อุตสาหกรรมการเพาะพันธุ์พืชแล้ว โดยได้รับความสนใจอย่างมากในผลลัพธ์

Dr. Chris Burt ผู้จัดการ Cereal Genotyping ของ RAGT Seeds กล่าวว่า “ความสามารถในการระบุรูปแบบลำดับที่ทราบกันว่ามีอยู่ในพันธุ์ข้าวสาลีสมัยใหม่มีความสำคัญมากสำหรับเราในฐานะผู้ปรับปรุงพันธุ์พืช ที่สำคัญ งานนี้ระบุความผันแปรที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในข้าวสาลี ซึ่งก่อนหน้านี้เรามองไม่เห็น

“ตอนนี้เรารู้เกี่ยวกับพวกมันแล้ว เราสามารถระบุได้ว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกี่ยวข้องกับลักษณะทางการเกษตรที่สำคัญๆ เช่น การดื้อต่อโรคอย่างไร จากนั้นเราสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้โดยใช้เทคนิคระดับโมเลกุลที่มีปริมาณงานสูง ซึ่งทำให้เรามีเครื่องมือเพิ่มเติมในการเลือกคุณลักษณะที่ได้รับการปรับปรุงในข้าวสาลี”

การค้นพบที่ไม่คาดคิดครั้งที่สองคือความผันแปรของลำดับโปรโมเตอร์ที่พบในไร่ข้าวสาลีบางชนิด ซึ่งเป็นพันธุ์พืชที่ปลูกในท้องถิ่นแบบดั้งเดิม และในข้าวสาลี Einkorn ของบรรพบุรุษก็สามารถพบได้ในข้าวสาลีเชิงพาณิชย์หลายพันธุ์ ตัวแปรลำดับเหล่านี้พร้อมให้สำรวจแล้วในการปรับปรุงพันธุ์ข้าวสาลีเชิงพาณิชย์ทันที

ที่สำคัญ ถึงแม้ว่าโปรโมเตอร์จะได้รับการอนุรักษ์อย่างสูง ทีมงานก็พบความแตกต่างของลำดับระหว่างภูมิภาคโปรโมเตอร์ โดยส่วนมากจะอาศัยอยู่ภายในไซต์ที่มีผลผูกพันสำหรับโปรตีนที่เปิดหรือปิดยีน

การแปรผันของลำดับที่จำกัดในภูมิภาคโปรโมเตอร์ทั้งหมดหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้ที่เราค้นพบในพันธุ์ต่างๆ มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในชีววิทยาของพืช ตามที่หัวหน้าโครงการและผู้เขียนร่วม Dr. Kim Hammond-Kosack กล่าว

“ภูมิปัญญาดั้งเดิมได้แนะนำว่าโปรโมเตอร์มีความสำคัญน้อยกว่าลำดับการเข้ารหัสของยีนในการกำหนดต้นข้าวสาลีที่เป็นผลลัพธ์ และเมื่อเวลาผ่านไปลำดับโปรโมเตอร์จะแตกต่างกันมากกว่าลำดับการเข้ารหัสโปรตีน” เธอกล่าว

“ตอนนี้เรารู้แล้วว่าไม่เป็นเช่นนั้น”

ด้วยข้อมูลที่ทีมได้ค้นพบ นักปรับปรุงพันธุ์พืชและนักวิชาการในขณะนี้มีความสามารถในการผสมและจับคู่ยีนตามตัวแปรลำดับโปรโมเตอร์ที่แตกต่างกัน ไม่ใช่แค่ความแปรผันของโปรตีนเหมือนเมื่อก่อน

ลักษณะส่วนใหญ่ในข้าวสาลีถูกควบคุมโดยยีนหลายตัวซึ่งต้องรวมกันอย่างดีที่สุดเพื่อช่วย ‘ยืด’ จีโนมและปรับปรุงลักษณะที่น่าสนใจ

ทีมวิจัยได้ ตีพิมพ์ในวารสาร Plant Biotechnology Journalว่าพวกเขามุ่งเน้นไปที่พันธุกรรมของลักษณะสำคัญ 10 ประการของข้าวสาลีอย่างไร โดยคัดเลือกผ่านการหารือกับผู้เพาะพันธุ์ข้าวสาลีและนักวิจัยของสหราชอาณาจักร ซึ่งรวมถึงความสามารถในการคืนตัวของผลผลิต องค์ประกอบของเมล็ดพืช ความต้านทานต่อแมลงศัตรูพืชและโรคเชื้อรา และความทนทาน สู่ความแห้งแล้ง

เนื่องจากความซับซ้อนของจีโนมข้าวสาลีขนมปัง ซึ่งรวมถึงยีนแต่ละตัวที่อยู่ในชุดโครโมโซมที่แตกต่างกันถึงสามชุด และการมียีนซ้ำซ้อนที่ทราบกันดี ผู้เขียนจึงตัดสินใจใช้วิธีการทดลองที่เข้มงวดมากเพื่อให้แน่ใจว่าลำดับที่ถูกจับได้ สืบย้อนไปถึงโปรโมเตอร์ของแต่ละยีนด้วยความมั่นใจอย่างสูง

เทคนิคนี้เรียกว่า Exome Capture ไม่เคยถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์โปรโมเตอร์พืชมาก่อน ผลของแนวทางที่เข้มงวดสูง ผู้เขียนพบว่าโปรโมเตอร์ของยีนแต่ละชุดสามชุดสามารถจับและจัดลำดับด้วยความมั่นใจสูง

โครงการนี้เกิดขึ้นได้จากการวางจำหน่ายในปี 2017 ของจีโนมข้าวสาลีคุณภาพสูงที่จัดลำดับและประกอบอย่างสมบูรณ์ของพันธุ์ Chinese Spring โดย International Wheat Gene Sequencing Consortium (IWGSC)

Kellye Eversole กรรมการบริหารของ IWGSC กล่าวว่า “การศึกษานี้ยืนยันสิ่งที่เราสงสัยตั้งแต่เริ่มต้น IWGSC ว่าเราไม่เพียงต้องการยีนเพื่อทำความเข้าใจจีโนมข้าวสาลีเท่านั้น

“เป็นเรื่องดีที่เห็นว่ากลยุทธ์ของเราในการได้รับลำดับอ้างอิงคุณภาพสูงสำหรับข้าวสาลีขนมปังแทนการร่างความพยายามในการจัดลำดับจีโนมทั้งหมดยังคงได้รับการตรวจสอบ”

โครงการวิจัยนี้เป็นส่วนหนึ่งของ เครือข่ายการปรับปรุงพันธุกรรมข้าวสาลีที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก Defra ซึ่งมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงข้าวสาลีผ่านการเพาะพันธุ์ข้าวสาลีแบบดั้งเดิม เว็บสล็อต