Rośliny hybrydowe (F1) powstają w wyniku skrzyżowania linii wsobnych, tworzonych poprzez wielokrotne samozapylanie osobników o korzystnych cechach (inbreeding). Linie wsobne są „czyste” genetycznie – posiadają homozygotyczny zestaw genów. Jednak w roślinach uprawnych przez setki czy tysiące lat hodowli doszło do nagromadzenia się zmutowanych alleli recesywnych o efektach letalnych lub wyraźnie obniżających żywotność. Normalnie występują w kombinacji z dominującymi allelami niezmutowanymi, jednak w liniach wsobnych zaczynają się one ujawniać, dając rośliny zdegenerowane, pomimo obecności genów korzystnych dla rolnictwa w stanie homozygotycznym. Taki efekt nazywany został depresją inbredową, która przejawia się w tym przypadku zmniejszeniem plonów.

Na początku XX wieku George Harrison Shull przeprowadził eksperymenty, polegające na krzyżowaniu linii wsobnych kukurydzy. Uzyskane w ten sposób rośliny (F1) były zacznie bardziej żywotne i dwukrotnie bardziej plenne niż odmiany wyjściowe. W 1914 roku wprowadził termin heterozja, opisujący to zjawisko. Shull opierał się na obserwacjach wybujałości mieszańców, które pierwszy raz opisał Joseph Gottlieb Kölreuter w 1761 oraz pracach Williama J. Beala, twórcy hybryd kukurydzy uzyskanych poprzez krzyżowanie różnych odmian tej rośliny. W 1917 powstała hipoteza wyjaśniająca heterozję, według której następuje uzupełnianie braków i negatywnych cech z obu linii rodzicielskich, ponieważ istnieje związek pomiędzy niektórymi korzystnymi genami dominującymi a niekorzystnymi recesywnymi.

W latach 20 i 30 opracowano przemysłowe metody produkcji hybrydowych nasion kukurydzy, które szybko zdobyły uznanie i doprowadziły do znacznego wzrostu plonów. Na rynku obecne są także min. hybrydy ryżu czy roślin zbożowych. Dzięki wyższej wydajności, można produkować więcej żywności bez zwiększenia powierzchni upraw, co doskonale widać na przykładzie upraw kukurydzy w USA. W 1930 z 44.8mln hektarów zebrano 55mln ton. W 1996 uprawy zajmowały tylko 32mln hektarów, lecz uzyskano plon 280mln ton, czyli ponad 6x więcej niż w 1930.

W Polsce hodowla i uprawa mieszańców kukurydzy ma 60-letnią tradycję. Krajowe odmiany (dostarczane jedynie przez 2 firmy) mają stały, 40-procentowy udział w rynku, pomimo silnej konkurencji ze strony firm zagranicznych. W roku 2012 po raz pierwszy w historii obsiano w Polsce kukurydzą ponad 1 mln ha.

Pomimo wieloletniego praktycznego zastosowania, do tej pory nie były znane szczegóły molekularne strony mechanizmu heterozji. Pracę badawczą na ten temat podjęli naukowcy z University of Bonn we współpracy z Iowa State University oraz wydziału Instytutu Maxa Plancka z Tübingen. Wykonano analizy aktywności genów w młodych korzeniach podwójnych hybryd kukurydzy B73×Mo17 i Mo17×B73 oraz ich matczynych linii wsobnych. Aby wyznaczyć aktywne geny,  porównano uzyskane z badanych roślin transkrypty ze znanym genomem.

Jak wykazały analizy, 86% ze wszystkich znanych genów było aktywnych w przynajmniej jednym z badanych genotypów. Blisko 70% genów miało różną ekspresję pomiędzy matczynymi liniami wsobnymi, natomiast pomiędzy hybrydami a liniami matczynymi współczynnik ten wynosił ok. 50%. Potwierdzono teoretyczny model dominacji/komplementacji w heterozji; 1124 genów, które uległy ekspresji w roślinach hybrydowych, było obecnych tylko w jednej z homozygotycznych roślin macierzystych.
Jedynie 350-750 genów było aktywnych jedynie w hybrydach. W porównaniu do całego genomu (35 000 genów) jest to niewielka część, jednak znacząco wpływa na plon i wigor mieszańców.

Dzięki ich identyfikacji i określeniu funkcji, będzie możliwe przyspieszenie procesu tworzenia nowych odmian dzięki preselekcji. Dotychczas konieczne było prowadzenie kosztownych i długotrwałych testów polowych tysięcy kombinacji odmian, w celu znalezienia tych najbardziej wydajnych.

Przeczytaj również:

Nowe źródło biopaliw w Indiach – dlaczego lepsze?

Biopaliwo z genetycznie modyfikowanych roślin

Seweryn Frasiński

źródła:
genome.cshlp.org/content/22/12/2445
www3.uni-bonn.de/Press-releases/corn-many-active-genes-high-yield
www.tygodnik-rolniczy.pl
www.kukurydza.org.pl/