Mutațiile genetice care au făcut posibilă cultivarea orezului

O nouă cercetare sugerează că apariția istorică a orezului cultivat din plantele de orez sălbatic a rezultat dintr-o combinație de trei mutații genetice care fac ca semințele (adică boabele de orez) să cadă mai puțin ușor din plantă. Aceste rezultate nu numai că aruncă lumină asupra istoriei timpurii, dar sperăm că vor contribui la dezvoltarea unor soiuri de orez mai eficiente în viitor.
Orezul are o istorie îndelungată ca aliment de bază în Japonia și în alte părți ale Asiei. Rezultatele unui nou studiu realizat de o colaborare internațională de cercetare sugerează că apariția orezului cultivat din plantele de orez sălbatic este rezultatul a trei mutații genetice care fac ca semințele (adică boabele de orez) să cadă mai puțin ușor din plantă.
În cadrul investigațiilor lor, cercetătorii au descoperit că fiecare dintre cele trei mutații are, în mod individual, un efect redus, dar atunci când toate cele trei mutații sunt prezente, paniculii plantei de orez rețin mai multe semințe - ceea ce duce la un randament mai mare al culturii.
Se crede că domesticirea orezului sălbatic a început atunci când strămoșii noștri au descoperit și au început să cultive plante de orez care nu-și scapă semințele cu ușurință, deschizând calea pentru o producție stabilă de orez. Se speră că rezultatele acestor cercetări pot contribui la îmbunătățirea în viitor a ușurinței cu care cad semințele de orez (adică la facilitarea treieratului) și la dezvoltarea unor soiuri de orez cu randament ridicat, în care fiecare bob poate fi recoltat, reducând astfel risipa.
Această descoperire a fost făcută în cadrul unei colaborări internaționale care a inclus cercetători de la Școala de studii superioare de agricultură a Universității Kobe (Japonia), Institutul Național de Genetică (Japonia), University College London (Marea Britanie), Universitatea din Warwick (Marea Britanie), Universitatea Agricolă Yezin (Myanmar) și Institutul de Cercetare și Dezvoltare Agricolă din Cambodgia.
Aceste rezultate ale cercetării au fost publicate online în Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) la 23 iunie (JST).

Puncte principale
Cercetătorii au descoperit mutația cauzală în gena qSH3, care este necesară pentru a împiedica căderea semințelor de orez (denumită spargerea semințelor).
În mutația genei qSH3, există o singură substituție de nucleotidă pe genă (YABBY). Această mutație se regăsește în marea majoritate a cultivarelor pentru cele mai cultivate specii de orez din lume (indica și japonica).
Cercetătorii au constatat că plantele care aveau doar mutația genei qSH3 și-au scăpat semințele în mod natural. Cu toate acestea, atunci când mutația qSH3 a fost combinată cu mutația genei sh4 raportată anterior, stratul de absciziune (care este necesar pentru spargerea semințelor) a fost parțial inhibat.
Semințele au căzut în continuare cu inhibarea parțială a stratului de absciziune mediată de mutațiile qSH3 și sh4, însă adăugarea unei mutații la SPR3 care determină o structură închisă a paniculului a dus la rămânerea majorității semințelor pe plantă, ceea ce a dus la creșterea randamentului culturii.
S-a efectuat o analiză a mecanicii structurale pentru a determina relația dintre deschiderea și închiderea paniculului și inhibarea stratului de absciziune. Rezultatele au arătat că, în cazul prezenței tuturor celor trei mutații, spargerea a fost suprimată, iar semințele au rămas atașate în mod stabil la panicule.
Se crede că strămoșii noștri vânători-culegători au observat din întâmplare caracteristicile vizuale (adică paniculele închise) ale anumitor plante de orez care aveau un randament mai mare și au început să le cultive, deschizând calea pentru ca orezul să devină o cultură de bază.

Contextul cercetării
Oryza sativa (denumit adesea orez asiatic în limba engleză) este cultivat și consumat pe scară largă în întreaga lume. Se știe că își are originea în orez sălbatic Oryza rufipogon. Se crede că orezul a început să fie cultivat atunci când vânătorii-culegători din cele mai vechi timpuri au ales plante individuale de orez sălbatic care aveau caracteristicile potrivite pentru acest scop. Plantele de orez sălbatic realizează un proces de spargere a semințelor care le împrăștie semințele, permițându-le să se înmulțească eficient. Cu toate acestea, în cazul cultivării orezului, acest proces de împrăștiere a semințelor trebuie suprimat pentru a obține o recoltă stabilă. În 2006, a fost descoperită gena sh4: această genă este necesară pentru începerea spargerii semințelor la plante, inclusiv la orez, și s-a propus ca o mutație în această genă să permită cultivarea orezului. Cu toate acestea, actuala echipă de cercetare a demonstrat că această mutație sh4 este insuficientă pentru a preveni pierderea semințelor, sugerând că sunt implicate și alte mutații genetice. Cu accent pe istoria timpurie a cultivării orezului, acest studiu a reunit specialiști în genetica plantelor, arheobotanică și mecanică structurală pentru a elucida modul în care au ajuns să fie cultivate recolte tot mai mari de orez.

Metodologia cercetării
Spargerea semințelor este cauzată de o structură numită strat de abscizie care se formează la baza fiecărei semințe de orez. Cercetătorii au descoperit că este necesară o singură substituție nucleotidică (de la citosină la timină) în ADN-ul genei qSH3 pentru a inhiba stratul de absciziune, pe lângă mutația genei sh4 menționată anterior. Această mutație a genei qSH3 se regăsește la principalele tipuri de orez cultivate la nivel mondial (indica și japonica). Mutațiile individuale legate de sfărâmarea semințelor, de exemplu în genele sh4 și qSH3, nu pot împiedica singure sfărâmarea la plantele de orez sălbatic. Cu toate acestea, cercetătorii au descoperit că, atunci când mutațiile sh4 și qSH3 au fost combinate, acest lucru a inhibat parțial formarea stratului de absciziune, care este necesar pentru spargerea semințelor. În ciuda acestui fapt, ei au concluzionat că o inhibiție atât de mică nu ar fi suficientă pentru a produce un randament stabil al culturii, deoarece semințele cad cu ușurință în mediul natural. Astfel, ei au decis să se concentreze în continuare asupra formei paniculului. Paniculul se referă la ciorchinii de ramuri subțiri din vârful plantei de orez care poartă semințele.
Orezul sălbatic are o structură de paniculă deschisă, ceea ce permite semințelor să cadă cu ușurință. Prin hibridare, cercetătorii au produs 8 plante de orez sălbatic, fiecare cu o combinație diferită de trei mutații genetice: o mutație la SPR3 care determină închiderea paniculilor și mutațiile sh4 și qSH3 menționate anterior. Ei au investigat apoi randamentul fiecărei plante. Ei au constatat că mutațiile individuale au avut un efect redus și că nici măcar combinarea a două mutații nu a dus la o creștere mare a randamentului. Cu toate acestea, atunci când au fost prezente toate cele trei mutații genetice, randamentul a crescut exponențial.
O analiză a mecanicii structurale a modificării paniculului închis și a inhibării stratului de absciziune a dezvăluit o relație complementară între cele două. Sarcina gravitației asupra stratului de abscizie de la baza semințelor este mai mică la plantele cu panicul închis decât la plantele cu panicul deschis, ceea ce poate aduce un randament și mai mare al recoltei prin reducerea suplimentară a spargerii semințelor. "Comportamentul care nu împrăștie semințele" cauzat de mutațiile sh4 și qSH3 și "paniculele închise" cauzate de mutația SPR3 sunt caracteristici care nu au nicio legătură între ele; cu toate acestea, colaborarea întâmplătoare dintre aceste caracteristici este considerată a fi cea care a permis orezului să devină o cultură.
În parabola celor trei săgeți, domnul de război japonez MORI Motonari, din secolul al XVI-lea, i-a dat fiecăruia dintre cei trei fii ai săi câte o săgeată, iar aceștia au reușit să rupă cu ușurință săgețile individuale. Cu toate acestea, un mănunchi de trei săgeți este mai puternic și, arătându-le fiilor săi că trei săgeți împreună nu pot fi rupte, el a explicat că cei trei ar trebui să lucreze împreună pentru a guverna pământul. În cazul culturilor de orez, trei mutații care au un efect mic pe cont propriu lucrează împreună, întâmplător - un pas important spre succesul orezului ca cultură.
Orezul a fost o sursă de energie zilnică pentru oameni timp de mii de ani, iar unele soiuri de orez japonez sunt considerate opere de artă culturală. Aceste rezultate ale cercetării nu numai că dezvăluie mecanismul de spargere a semințelor, ci ne oferă, de asemenea, o perspectivă asupra istoriei îndelungate din spatele îmbunătățirii cultivării orezului.

Dezvoltări ulterioare
Chiar dacă orezul este o cultură esențială la nivel mondial, încă nu se înțelege pe deplin cum a fost domesticit. Progresele în domeniul tehnicilor agricole au fost însoțite de dezvoltarea unor soiuri de orez care și-au scăpat semințele din ce în ce mai puțin ușor, ceea ce sugerează că dobândirea comportamentului de nezdrobire a semințelor este rezultatul unor mutații genetice multiple. Se speră că, prin investigarea în continuare a acestor mutații, procesul de cultivare a orezului poate fi elucidat. În plus, ar putea fi controlată cantitatea de spargere a semințelor prin utilizarea genelor cu multe dintre aceste mutații, ceea ce ar duce la dezvoltarea unor noi soiuri de orez în care să poată fi recoltate toate semințele produse de plantă.