צוות מחקר מאוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה חשף את המנגנון מאחורי הפרעות מוצלבות במהלך מיוזה, ופתר תעלומה ארוכת שנים בגנטיקה. פריצת דרך זו עשויה לחולל מהפכה בגידול חקלאי על ידי מתן שליטה מדויקת על תכונות היבול, ולסלול את הדרך לשיפור עמידות למחלות ופריון בצמחים.
סרטים כמו 'X-Men', 'Fantastic Four' ו-'The Guardians', המציגים גיבורי מוטציה תוססים, כבשו את הקהל העולמי. לאחרונה, סקר גנטי בתפוקה גבוהה של מוטנטים בקצב הצלבה מיוטי ב Arabidopsis thaliana זכה לעניין של הקהילה האקדמית על ידי גילוי תעלומה בת מאה שנים במדעי החיים.
צוות מחקר, המורכב מפרופסור קיוהא צ'וי, ד"ר ג'אייל קים, והמועמד לדוקטורט Heejin Kim מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה (POSTECH), השיג הישג יוצא דופן על ידי חשיפת המנגנון המולקולרי האחראי להצלבה. הפרעה במהלך מיוזה, דפוס ביולוגי ברמת הכרומוזומים. הממצאים של מחקר זה פורסמו ב-20 בפברואר ב צמחי טבעכתב עת בינלאומי בתחום מדעי החיים.
תפקידה של מיוזיס בגיוון גנטי
באורגניזמים מתרבים מינית, פרטים דומים להוריהם או לאחיהם. למרות קווי הדמיון המדהימים, חשוב להכיר בכך שהזהות המוחלטת אינה ניתנת להשגה. וריאציה זו מיוחסת לתהליך המיוזה, אשר יוצר תאי רבייה כמו זרע וביצים בבעלי חיים או אבקה וביצית בצמחים. בניגוד לחלוקת תאים סומטיים, שמשכפלת ומחלקת את הגנום באופן זהה, מיוזה יוצרת תאי רבייה מגוונים מבחינה גנטית באמצעות מנגנון המכונה קרוסאובר.
מיוזיס והצלבה ממלאים תפקידים מרכזיים במגוון הביולוגי ויש להם השלכות משמעותיות בגידול שבו מתרחשת הבחירה והטיפוח של תכונות מעולות בגידולים. בדרך כלל, רוב החי והצומח מִין מציגים מינימום של אחד ומקסימום של שלושה הצלבות לכל זוג כרומוזומים הומולוגיים.
א. בידוד גנטי של מוטנטים hcr3 באמצעות מערכת מדידת הצלבת זרעים ניאון. ב. מפות הצלבה גנומיות המראות עלייה פי 2 בהצלבה בצמחים מהונדסים J3G155R המבטאים אלל hcr3 (מודגש באדום) בהשוואה לסוג הבר (מתואר בכחול). ג. hcr3 הראה מספר מוגבר של מוקדי HEI10 ומרחק מופחת בין מוקדי HEI10 לכל דו ערכי. ד. דגם הממחיש את השליטה בהפרעות מוצלבות בתיווך ירידה ב-HEI10 דרך רשת המלווה HCR3-HSP70. קרדיט: POSTECH
היכולת לשלוט במספר ההצלבות הללו עשויה להוביל לטיפוח יבולים עם תכונות רצויות ספציפיות. עם זאת, השגת שליטה כזו הייתה מאתגרת בשל 'תופעת הפרעות מוצלבות'. הפרעות מוצלבות, שבה הצלבה אחת מעכבת היווצרות של הצלבה נוספת בקרבת מקום לאורך אותו כרומוזום, זוהתה בתחילה על ידי הגנטיקאי של זבובי הפירות הרמן ג'יי מולר בשנת 1916. למרות מאמצי החוקרים המתמשכים במאה האחרונה מאז גילויו, זה רק לאחרונה המנגנונים שבבסיס הפרעות מוצלבות החלו לחשוף את סודותיהם.
פריצת דרך בהבנת הפרעות מוצלבות
במחקר זה, הצוות השתמש בשיטת ניקוד זרעים פלורסנטיים עם תפוקה גבוהה למדידה ישירה של תדירות הצלבה בצמחי ארבידופסיס. באמצעות מסך גנטי, הם זיהו מוטציה בשם hcr3 (שיעור הצלבה גבוה 3) שהציג שיעור הצלבה מוגבר ברמה הגנומית. ניתוח נוסף גילה שהצלבות המוגבהות פנימה hcr3 יוחסה למוטציה נקודתית ב- J3 גן, המקודד לצ'פרון שותף הקשור לחלבון HSP40.
מחקר זה הראה כי רשת הכוללת שותף-צ'פרון HCR3/J3/HSP40 והצ'פרון HSP70 שולטת בהפרעות מוצלבות ולוקליזציה על-ידי הקלה על פירוק החלבון הפרו-הצלב, HEI10 ubiquitin E3 ligase. היישום של גישות מסך גנטי לחשיפת מסלול ההפרעות והעיכוב המוצלב התמודד בהצלחה עם חידה בת מאה שנים במדעי החיים.
פרופסור POSTECH Kyuha Choi הצהיר, "יישום המחקר הזה בחקלאות יאפשר לנו לצבור במהירות תכונות מועילות, ובכך להפחית את זמן הרבייה." הוא הביע אופטימיות באומרו, "אנו מקווים שהמחקר הזה יתרום להתרבות של זנים חדשים ולזיהוי של וריאציות טבעיות שימושיות האחראיות לתכונות רצויות כמו מחלות ועמידות ללחץ סביבתי, שיפור פרודוקטיביות וייצור בעל ערך גבוה".
המחקר נערך בתמיכת תוכנית המחקר הבסיסית במדע והנדסה ותוכנית חוקרים באמצע הקריירה של קרן המחקר הלאומית של קוריאה, תוכנית הדור הבא של BioGreen 21 של מינהל פיתוח הכפר, קרן Suh Kyungbae ו- קרן סמסונג למדע וטכנולוגיה.
