URBANA, Illinois - Wetenschappers komen dichter bij het vinden van de genen voor mannelijkheid in waterhennep en Palmer-amarant, twee van de meest lastige landbouwonkruiden in de VS.
Het vinden van de genen zou nieuwe "genetische controle" -methoden mogelijk kunnen maken voor het onkruid, dat op veel plaatsen niet langer reageert op herbiciden.
"Als we zouden weten welke genen mannelijkheid beheersen en we zouden die genen binnen de populatie kunnen laten vermenigvuldigen, zou elke plant in het veld na een paar generaties een man zijn, en theoretisch zou de populatie crashen", zegt Pat Tranel, professor en associate head in de Afdeling Gewaswetenschappen de Universiteit van Illinois en hoofdauteur van een studie in Nieuwe Phytologist.
Tranel en zijn collega's hadden eerder moleculaire markers geïdentificeerd die verband houden met de mannelijke genomische regio. Na sequentiëring van het genomen van mannelijke onkruiden voor beide soorten konden de onderzoekers die markers gebruiken om in te zoomen op de mannelijke specifieke regio. Nu zijn ze binnen 120 tot 150 genen verwijderd van het vinden van hun doelwit.
“We zijn ervan overtuigd dat de meeste van die ongeveer 120 genen waarschijnlijk niets doen. Het zijn gewoon dingen die zich ophopen in dat deel van het genoom', zegt Tranel. "Als ik moest raden, zou ik zeggen dat misschien 10 van hen daadwerkelijk iets relevants doen."
Het verkleinen van de geslachtsgerelateerde genen in deze onkruiden zou praktische waarde kunnen hebben voor de bestrijding, maar de studie werpt ook meer in het algemeen licht op het fenomeen van tweehuiigheid - mannelijke en vrouwelijke geslachtsorganen bij afzonderlijke individuen. De overgrote meerderheid van dieren is tweehuizig, maar het is zeldzaam in planten. Meer dan 90% van de bloeiende planten hebben beide geslachtsorganen op dezelfde persoon, en vaak in dezelfde bloem.
Waterhemp en Palmer amaranth zijn echter tweehuizig.
Dioecy betekent dat het voor een plant onmogelijk is om zichzelf te bestuiven; in plaats daarvan moeten vrouwelijke gameten worden bevrucht door mannelijk stuifmeel van een andere plant. Dat is een goede zaak om de genetische diversiteit in een populatie te waarborgen. En het is waarschijnlijk wat waterhennep en Palmer-amarant zo succesvol heeft gemaakt in het omzeilen van de schadelijke effecten van meerdere herbiciden.
“Tot op heden hebben waterhennep en Palmer-amarant resistentie ontwikkeld tegen herbiciden met respectievelijk zeven en acht werkingsmechanismen. Tweehuizige voortplanting heeft tot gevolg dat al deze resistentiekenmerken binnen individuen gemengd en gematcht worden. Door deze vermenging konden populaties van beide soorten meerdere herbicideresistenties combineren, waardoor producenten weinig effectieve herbicidekeuzes hadden", zegt Tranel.
Inzicht in het zeldzame fenomeen van tweehuiigheid in planten kan wetenschappers helpen om samen te stellen hoe eigenschappen van elke ouder worden geërfd, en om te begrijpen hoe het fenomeen zich ontwikkelt.
In tegenstelling tot dieren, waarvan wordt aangenomen dat tweehuizig slechts één keer is geëvolueerd, geloven wetenschappers dat tweehuizigheid bij planten talloze keren is geëvolueerd. En volgens de studie van Tranel lijkt het onafhankelijk te zijn geëvolueerd in waterhennep en Palmer-amarant, twee zeer nauw verwante soorten.
“Ik ben niet klaar om te zeggen dat we absoluut weten dat ze afzonderlijk zijn geëvolueerd, maar alle informatie die we hebben gevonden, ondersteunt dat idee. Slechts twee van de 120-150 genen leken op elkaar tussen de twee soorten", zegt Tranel.
Een van die gedeelde genen, Florigen, helpt planten te reageren op daglengte door de bloei te initiëren. Tranel weet nog niet of het het geslacht van bloemen bepaalt, maar hij is geïntrigeerd dat het voor beide soorten opdook in het mannelijk-specifieke Y-gebied.
“We weten het niet zeker, maar misschien heeft het te maken met mannetjes die eerder bloeien dan vrouwtjes. Dat zou gunstig kunnen zijn voor mannetjes, want dan zouden ze stuifmeel afgeven als de eerste vrouwtjes ontvankelijk worden. Dus als Palmer en waterhenp echt afzonderlijk van elkaar evolueerden, maar beiden dit Florigen-gen verwierven voor een fitnessvoordeel, zou dat een cool voorbeeld zijn van parallelle evolutie.
Tranel hoopt het mannelijk-specifieke Y-gebied in beide soorten nog verder te verkleinen om de genen te isoleren die mannelijkheid bepalen. Er is geen garantie dat er een oplossing voor genetische controle zal worden ontwikkeld zodra die genen zijn geïdentificeerd - daarvoor zou Tranel waarschijnlijk industriële partners moeten aantrekken - maar het hebben van een dergelijk hulpmiddel is niet zo ver weg als het ooit was.
Het artikel, "Manspecifieke Y-chromosomale regio's in waterhennep (Amarantus tuberculatus) en Palmer amarant (Amarant palmeri)", wordt gepubliceerd in Nieuwe Phytologist [DOI: 10.1111 / nph.17108]. Auteurs zijn onder meer Jacob Montgomery, Darci Giacomini en Pat Tranel van de University of Illinois, en Detlef Weigel van het Max Planck Institute for Developmental Biology. Het project werd ondersteund door de USDA Nationaal Instituut voor Voedsel en Landbouw en de Max Planck-Gesellschaft.
De afdeling Gewaswetenschappen bevindt zich in de College voor landbouw-, consumenten- en milieuwetenschappen de Onkruidwetenschap in Illinois.