Forskare närmar sig att hitta generna för manlighet i vattenhampa och Palmer amaranth, två av USA:s mest besvärliga jordbruks-ogräs.
Att hitta generna kan möjliggöra nya metoder för "genetisk kontroll" för ogräset, som, på många ställen, svarar inte längre på herbicider. Vattenhampa och Palmer amaranth är tvåbo, vilket betyder att de har både han- och honväxter.
"Om vi visste vilka gener som styr manlighet och vi kunde få dessa gener att sprida sig inom befolkningen, varje växt på fältet skulle vara en hane efter några generationer, och teoretiskt sett, befolkningen skulle krascha, säger Pat Tranel, en ogräsforskare vid University of Illinois och huvudförfattare på en studie i Ny fytolog.
Tranel och hans kollegor hade tidigare identifierat molekylära markörer associerade med den manliga genomiska regionen. Efter sekvensering av manliga genom, forskarna kunde använda dessa markörer för att nollställa den mansspecifika regionen. Nu, de är inom 120 till 150 gener från att hitta sitt mål.
"Vi är övertygade om att de flesta av dessa 120 eller så gener förmodligen inte gör någonting. Det är bara saker som har samlats i den regionen av genomet, säger Tranel. "Om jag fick gissa, Jag skulle säga att kanske 10 av dem faktiskt gör något relevant."
Dioecy
Att begränsa generna relaterade till kön i dessa ogräs kan ha praktiskt värde för kontroll, men studien belyser också fenomenet dioecy – manliga och kvinnliga könsorgan på separata individer – mer generellt. De allra flesta djur är tvåbo, men det är sällsynt i växter. Mer än 90 % av blommande växter har båda könsorganen på samma individ, och ofta inom samma blomma. Waterhamp och Palmer amaranth, dock, är tvåbo.
Dioecy betyder att det är omöjligt för en växt att självpollinera; istället, kvinnliga könsceller måste befruktas av manligt pollen från en annan växt. Det är bra för att säkerställa genetisk mångfald i en befolkning. Och det är troligen det som har gjort vattenhampa och Palmer amaranth så framgångsrika när det gäller att undvika de skadliga effekterna av flera ogräsmedel.
"Hittills, vattenhampa och Palmer amaranth har utvecklat resistens mot herbicider som spänner över sju och åtta verkningssätt, respektive. Tvåhemsreproduktion resulterar i att alla dessa motståndsegenskaper blandas och matchas inom individer. Denna blandning har gjort det möjligt för populationer av båda arterna att kombinera multipel herbicidresistens, lämnar producenter med få effektiva herbicidval, säger Tranel.
Att förstå det sällsynta fenomenet dioecy i växter kan hjälpa forskare att pussla ihop hur egenskaper ärvs från varje förälder, och att förstå hur fenomenet utvecklas.
Till skillnad från djur, där dioecy tros ha utvecklats bara en gång, forskare tror att dioecy i växter har utvecklats flera gånger. Och, enligt Tranels studie, det verkar ha utvecklats oberoende av vattenhampa och Palmer amaranth, två mycket närbesläktade arter.
"Jag är inte redo att säga att vi absolut vet att de utvecklades separat, men all information vi hittade stöder den idén. Endast två av de 120-150 generna liknade varandra över de två arterna, säger Tranel.
En av dessa delade gener, Florigen, hjälper växter att reagera på dagslängden genom att initiera blomning. Tranel vet ännu inte om det bestämmer blommornas kön, men han är intresserad av att det dök upp i den mansspecifika Y-regionen för båda arterna.
"Vi vet inte säkert, men det kanske handlar om att hanar blommar tidigare än honor. Det kan vara fördelaktigt för män eftersom de då skulle fälla pollen när de första honorna blir mottagliga. Så om, faktiskt, Palmer och vattenhampa utvecklade verkligen dioecy separat, men båda förvärvade denna Florigen-gen för en konditionsfördel, det skulle vara ett coolt exempel på parallell evolution."
Tranel hoppas kunna begränsa den mansspecifika Y-regionen i båda arterna ytterligare för att isolera generna som bestämmer manlighet. Det finns ingen garanti för att en genetisk kontrolllösning kommer att utvecklas när dessa gener har identifierats – Tranel skulle sannolikt behöva attrahera industripartners för det – men att ha ett sådant verktyg är inte så långt borta som det en gång var.
Artikeln, Hanspecifika Y-kromosomala regioner i vattenhampa (Amaranthus tuberculatus) och Palmer amaranth (Amaranthus palmeri), publiceras i Ny fytolog.
Författare inkluderar Jacob Montgomery, Darci Giacomini, och Pat Tranel vid University of Illinois, och Detlef Weigel från Max Planck Institute for Developmental Biology. Projektet stöddes av USDA National Institute of Food and Agriculture och Max Planck Society.
