Genetyczne podstawy zegara biologicznego u roślin

Naturalna zmienność zegara biologicznego wpływa na oddziaływania ze środowiskiem i czas wystąpienia ważnych fizjologicznych procesów u roślin. W rezultacie genotyp staje się bardziej złożony pod wpływem oddziaływania środowiskowego, co skutkuje dużymi zmianami na poziomie metabolitów.

Uczestnicy projektu "Network QTL mapping of circadian clock" (NETWORK QTL MAPPING) sklonowali trzy metaboliczne loci kontrolujące zmienność cyklu dobowego u Arabidopsis. Przyjrzano się również genom homologicznym u dwóch gatunków z rodziny Brassica, Brassica oleracea (którego odmianami są kapusta i brokuł) oraz Brassica rapa (rzepa, rukola i gorczyca).

Członkowie zespołu badali fenotypy uwzględniając datę tworzenia pędów generatywnych, średnicę rozety i czas kwitnienia, które są kontrolowane przez światło dzienne. Drugorzędowe metabolity poddane badaniu obejmowały glukozynolany i związki fenolowe, należące do związków fitochemicznych, które mogą być powiązane z aktywnością przeciwutleniającą.

Sklonowano trzy loci kontrolujące odchylenia zegara biologicznego Arabidopsis Bay x Sha, które kontrolują czas kwitnienia. Przeprowadzono wysokorozdzielcze mapowanie i identyfikację in silico tych trzech genów o potencjalnym znaczeniu w tym procesie i namnożono je. Stworzono markery do badań przesiewowych zdarzeń rekombinacyjnych i zlokalizowano mniejsze regiony testowanego locus, zawężając regiony do około 30 genów.

Jednocześnie, uczestnicy projektu NETWORK QTL MAPPING skonstruowali sieci wszystkich loci tych regionów. Jako że geny z tego samego szlaku mają podobne wzorce ekspresji w różnych warunkach czasowych i fizjologicznych, badacze połączyli każdy wybrany gen z genami ulegającymi koekspresji w prawie 1400 testach mikromacierzowych. Bazując na tym, badacze skupili się następnie na genach homologicznych u B. oleracea oraz B. rapa.

Wyłoniono trzy geny do dalszych badań pod kątem zawartości glukozynolanów i pięć kolejnych, odpowiedzialnych za czas kwitnienia. Wszystkie one przejawiały wysokie zmiany okołodobowe. Używając zmutowanych i transgenicznych linii, uczestnicy projektu testowali, czy geny przekładały się na zmienność fenotypu. Wszystkie geny uczestniczące w wytwarzaniu glukozynolanów i dwa geny odpowiedzialne za czas kwitnienia przejawiały oczekiwany fenotyp.

Dokładna wiedza na temat biochemii molekuł odpowiedzialnych za gromadzenie drugorzędowych metabolitów w plonach warzyw kapustnych i innych w związku z cyklem dobowym może mieć ogromne znaczenie w programach rozmnażania. Warzywa kapustne obejmują odmiany używane do produkcji oleju, paszy i musztardy. Są one również ważne z punktu widzenia ekologii, jako pokarm larw motyli i ciem.