Verhogen van gewasopbrengsten door planten te kweken om samen te werken

Een eenvoudig veredelingsexperiment, gecombineerd met genetische analyse, kan snel genen blootleggen die samenwerking en hogere opbrengsten van plantenpopulaties bevorderen, volgens een nieuwe studie die op 29 november in het open access-tijdschrift is gepubliceerd PLoS Biology, door Samuel Wuest van de Universiteit van Zürich en Agroscope, Zwitserland, en collega's. De resultaten hebben het potentieel om de gewasproductiviteit snel te verhogen door middel van conventionele veredelingsmethoden.

In de klassieke evolutietheorie concurreren individuen, en degenen met de meest competitief voordelige genen creëren meer nakomelingen die dezelfde winnende genen dragen. Dit vormt een uitdaging voor plantenkwekers, die vaak worden geconfronteerd met het selecteren van planten die samenwerken in plaats van concurreren. In een dichte monocultuur van maïs of tarwe kan de algehele opbrengst worden verbeterd als individuen vermijden te groot te worden of hun bladeren te wijd uit te spreiden (de "Groene Revolutie" van het midden van de 20e eeuw was grotendeels afhankelijk van de introductie van dwergvormende allelen in grote Ontbijtgranen).

Het is een uitdaging om de allelen (versies van genen die tussen individuen verschillen) te ontdekken die samenwerking kunnen bevorderen, maar de auteurs hebben een systeem ontworpen om ze te onthullen. In afstemming met spel theorie, redeneerden de auteurs dat het meest coöperatieve genotype het beste zal presteren met vergelijkbare coöperatieve buren, maar het slecht zal doen wanneer het wordt geconfronteerd met egoïstische, zeer competitieve buren.

Ze gebruikten de modelplant Arabidopsis om de prestaties van een bepaalde plant, gekweekt met een ander genetisch vergelijkbaar individu (het modelleren van een monocultuur), te vergelijken met de prestaties wanneer gekweekt met een reeks "tester"-genotypes, die varieerden in hun groeistrategieën. Door zowel de algehele kracht van elke plant te bepalen (zoals gemeten door bovengrondse biomassa) als het verschil tussen de groei in de twee situaties, konden ze zien welke planten zowel het vermogen om snel te groeien als het vermogen om samen te werken met genetisch vergelijkbare individuen maximaliseerden. zodat hun buren ook goed groeiden.

Met die gegevens in de hand gebruikten ze gepubliceerde genoombrede polymorfismegegevens om de genen geassocieerd met de coöperatieve eigenschap. Ze ontdekten dat het het sterkst geassocieerd was met een kleine groep gekoppelde polymorfismen, en in het bijzonder een klein allel op één gen. Toen er planten werden gekweekt die dat kleine allel droegen nabijheid, produceerden ze samen 15% meer biomassa wanneer ze in een hoge dichtheid werden gekweekt dan planten die de major droegen allel op dezelfde plaats. Het coöperatieve effect ging gepaard met verminderde wortelconcurrentie - aangrenzende planten hebben mogelijk minder energie besteed aan het binnendringen van de wortelzones van hun buren voor voedingsstoffen.

Dezelfde vergelijkende strategie zou kunnen worden gebruikt voor het ontdekken van coöperatieve allelen voor elk meetbaar kenmerk, zei Wuest. "Zo'n variatie, eenmaal geïdentificeerd in een gewas, kan snel worden benut in moderne veredelingsprogramma's en efficiënte routes bieden om de opbrengst te verhogen."

Wuest voegt eraan toe: “De ideeën die tot dit werk hebben geleid, zijn niet nieuw, veel ervan zijn in feite al tientallen jaren geleden geformuleerd. En toch intrigeert de gedachte dat wij mensen, een van de meest coöperatieve soorten, ook kunnen profiteren van het coöperatiever maken van onze gewassen, ons vandaag de dag nog steeds.”