Penn State-forskaren Sally Mackenzie ville inte riktigt skrämma sojabönor. Men det var vad hon gjorde när hon tystade växternas MSH1-gen. Även om växterna växte under perfekta förhållanden, kände de plötsligt att de stötte på en mängd olika påfrestningar på en gång – torka, extrem kyla och värme, höga ljusnivåer och mer. Växter reagerade genom att förstärka gensvar för att hantera stressen. Sedan, när Mackenzie korsade dessa växter med den ursprungliga beståndet, "mindes" avkommorna stressen från föräldraväxterna och växte upp mer kraftfulla, motståndskraftiga och produktiva. Upptäckten har viktiga konsekvenser för förädling av växter förberedda för extrema klimat.
Ett årtionde på väg
Det tog Mackenzie att upptäckte MSH1-genen för ungefär ett decennium sedan. Det är något som alla växter har, men vid den tiden insåg hon inte att det var viktigt.
"Nyligen, genom serendipity, upptäckte vi att efter att vi ersatt MSH1-genen, har växten ett "minne" av den stressen - och med minne menar jag att dess tillväxtegenskaper skiljer sig mycket från växten vi började med," sa hon. "Och den kommer att minnas stressen generation efter generation efter generation, så länge vi inte gör några korsningar och håller den i samma härstamning."
Växter som "upptäcker" stress efter att MSH1-genen tystats kan justera sin tillväxt och ändra rotkonfigurationen, begränsa biomassan ovan jord, fördröja blomningstiden och ändra deras reaktion på miljöstimuli. Dessa svar "kommer ihåg", rapporterar forskare, och förmedlas i selektiv avel genom många generationer.
Som en del av deras senaste forskning odlades växter som härrörde från korsningar med "minnes" sojabönsväxter i stor skala i fyra olika fältförhållanden på fyra vitt åtskilda platser i Nebraska. De var mer kraftfulla, gav högre avkastning och bättre anpassade till sin miljö än typiska sojabönsväxter.
"Vad det betyder," säger Mackenzie, "är att vi kan ta våra allra bästa grödor och eventuellt få ut mer av dem och göra dem mer motståndskraftiga med en ganska enkel manipulation," sa hon. "Vi såg en betydande förbättring av avkastning och tillväxtprestanda, vilket är oväntat eftersom vi inte introducerade några nya gener. Vi ändrade bara hur de uttrycks. Och helt plötsligt hade vi en ökning på 13-14 procent i skörden av sojabönor.”
Mackenzie föreslår att alla växter har denna kapacitet, och att "tillståndet vi beskriver sannolikt är en viktig del av hur växter överför minne av sin miljö för att förutsätta avkomma." Hennes team valde att arbeta med sojabönor eftersom det är den mest odlade baljväxten i världen, och näst efter gräs med ekonomisk betydelse. Men de har börjat jobba med andra växter också.
Varför bryr vi oss?
Detta arbete har betydande konsekvenser för växtförädling. Till skillnad från genetiskt modifierade organismer sätts inte nytt genetiskt material in i växten. Snarare är denna teknik "epigenetisk" som involverar uttryck av befintliga gener.
Det har också betydande konsekvenser för vår förmåga att odla mat i klimat som kan bli hårdare i framtiden. Vi kanske kan föda upp mer värme- och torktoleranta gräs, spannmål och baljväxter. Mackenzie har faktiskt bedrivit denna forskning i ett försök att förbättra livsmedelssäkerheten över hela planeten.
På platser som Syrien och Libanon som har drabbats så hårt av klimatförändringar och krig att de inte kan producera sin egen mat, kommer detta att vara särskilt viktigt, konstaterade hon.
"Om du börjar lägga ihop länder som verkligen inte är livsmedelssäkra är det skrämmande," sa Mackenzie. "För om de inte kan mata sitt eget folk, vem ska göra det? Det är inte rimligt att tro att vi kan öka vår livsmedelsproduktion på den här kontinenten för att klara allt detta. På ett eller annat sätt måste vi hitta sätt att producera mat i dessa motsträviga, svåra miljöer.”
Håll ögonen öppna! Jag ska leta efter exempel på att den här tekniken kommer att användas till nytta för betesbrukare i framtiden.
Den här historien är hämtad från två pressmeddelanden från Penn State: Växter överför "minne" av stress till vissa avkommor, vilket gör dem mer motståndskraftiga t och Att skrämma sojabönor till försvarsläge ger bättre växter en generation senare.
