Każdego roku straty w wysokości miliardów dolarów wynikają z przedwczesnego kiełkowania (PHS), gdy ziarna i nasiona zaczynają kiełkować na roślinie przed zbiorami. Zjawisko to, wywołane ciepłą i wilgotną pogodą, zagraża jakości plonów i zaostrza globalne problemy związane z bezpieczeństwem żywnościowym. Jednak nowe badania prowadzone przez naukowców z laboratorium badawczego Carlsberg w Danii zidentyfikowały mechanizm genetyczny kontrolujący kiełkowanie jęczmienia, co potencjalnie oferuje rozwiązanie tego powszechnego problemu.
Źródła problemu: udomowienie i spoczynek
PHS nie jest zjawiskiem naturalnym; jest to konsekwencja praktyk rolniczych. Kiedy pierwsi rolnicy udomowili jęczmień, preferowali rośliny, które po posadzeniu szybko kiełkują. Wymagało to skrócenia naturalnego okresu spoczynku nasion, istotnej przerwy, która uniemożliwia kiełkowanie do czasu pojawienia się idealnych warunków. Chociaż praktyka ta pozwala na szybsze sadzenie i potencjalnie dwa zbiory rocznie, stwarza ona znaczną podatność na zagrożenia: jeśli przed zbiorami pogoda nagle stanie się niezwykle ciepła i wilgotna, cała uprawa może zacząć przedwcześnie kiełkować. To sprawia, że ziarno nie nadaje się do przechowywania ani przetwarzania, co negatywnie wpływa na jego wartość zarówno spożywczą, jak i browarniczą.
Odkrywanie kontroli genetycznej: rola MKK3
Aby zbadać przyczyny PHS, naukowcy skupili się na MKK3, genie, o którym już wiadomo, że wpływa na spoczynek nasion jęczmienia i innych roślin zbożowych. Przeprowadzili kompleksową analizę DNA ponad 1000 odmian jęczmienia uzyskanych z gospodarstw i banków nasion na całym świecie. Badanie obejmowało także uprawę różnych rodzajów jęczmienia na polach przez wiele sezonów, celowo narażając połowę roślin na warunki, które mogą wywołać PHS. Dzięki analizie porównawczej chorych i zdrowych ziaren, a także badaniom laboratoryjnym badającym ekspresję genów i aktywność białek, badacze byli w stanie określić, w jaki sposób geny MKK3 bezpośrednio wpływają na spoczynek nasion.
Kilka wersji MKK3 kontroluje spoczynek nasion
Badanie opublikowane w Science ujawniło krytyczne odkrycie: spoczynek nasion nie jest kontrolowany przez jedną wersję genu MKK3, ale raczej przez wiele wersji. Dziki jęczmień ma tylko jedną kopię tego genu, podczas gdy odmiany udomowione mają ich kilka. Odpowiednio, im więcej genów MKK3 ma roślina jęczmienia, tym silniejszy jest sygnał kiełkowania, co prowadzi do krótszych okresów spoczynku.
Starożytne praktyki rolnicze ukształtowały różnorodność genetyczną
Naukowcy zbadali także, w jaki sposób te różne warianty MKK3 rozprzestrzeniały się w czasie w odpowiedzi na warunki klimatyczne i potrzeby starożytnych rolników. Rolnicy z Europy Północnej wybrali niektóre „nadaktywne” odmiany, które cenią sobie ich doskonałe właściwości słodownicze. Z kolei inne, mniej aktywne odmiany, które zapewniają dłuższy okres spoczynku, były preferowane przez rolników w wilgotnym klimacie, np. w Azji Wschodniej, gdzie pomogły uprawom przetrwać pory monsunowe.
Przyszłość jęczmienia odpornego na zmiany klimatyczne
Odkrycia te otwierają drogę współczesnym hodowcom do opracowania odmian jęczmienia dostosowanych do określonych regionów i klimatów. >Nasza praca pokazuje, że zrozumienie złożoności genetycznej spoczynku nasion może pomóc hodowcom w opracowaniu jęczmienia, który jest zarówno produktywny, jak i odporny na zmiany klimatyczne. Dzięki selektywnemu krzyżowaniu odmian z odpowiednimi wariantami MKK3 rolnicy mogą uprawiać rośliny, które są zarówno wysokowydajne, jak i mniej podatne na szkodliwe skutki przedwczesnego kiełkowania. Badanie to niesie ze sobą znaczącą obietnicę w zakresie poprawy światowego bezpieczeństwa żywnościowego i wspierania zrównoważonych praktyk rolniczych.
