Képzeljünk el egy olyan gabonát, amely minden évben magától kihajt, anélkül, hogy a földeket meg kellene művelni, és minden aratás után újravetni. A gazdák munkaerőt takaríthatnának meg, a talajerózió pedig lelassulna. Azonban az évelő gabonafajták kifejlesztése – amelyek a mezőket inkább a gyümölcsösökhöz tennék hasonlóvá – eddig igen fáradságosnak bizonyult. 2018-ban elsőként kínai kutatók mutattak be egy olyan rizsfajtát, amely több éven keresztül terem, de ennek a létrehozása évtizedekig tartó hagyományos nemesítést igényelt.

A vadon élő fajoktól kölcsönzött gének felgyorsíthatják ezt a folyamatot, és így a különböző régiókhoz és termesztési feltételekhez már hozzáigazított rizsfajtákat lehetne évelővé tenni. A Science új számában egy kutatócsoport két gén azonosításáról számol be, amelyek lehetővé teszik, hogy az Oryza rufipogon nevű vadon élő rizsfaj évről évre virágozzon. Ezeket a géneket a termesztett O. sativa rizs genomjába építették be, ami kulcsfontosságú évelő tulajdonsággal ruházta fel a növényt: azzal a képességgel, hogy leállítsa a virágzást, és folytassa a vegetatív növekedést, ahelyett, hogy a virágzás után elhalna, ahogyan az egynyári növények általában teszik.

„Ez igazán nagy előrelépés. A kirakós egy nagyon fontos darabját azonosították” – mondja Allison Miller növénybiológus, a Saint Louis Egyetem és a Donald Danforth Növénytudományi Központ munkatársa, aki nem vett részt a munkában. Viszont a munka java még hátra van, hiszen az új hajtások egyelőre nem képesek gabonát termelni, teszi hozzá a szakértő.

Az egynyári növények gyorsan növekednek a föld felett, és többet termelnek, mint a vadon élő évelők, amelyek gyakran jelentős erőforrásokat fordítanak a mélyebb gyökérzet kifejlesztésére. A háziasítás során elődeink részben a nagyobb termés miatt választották ki az egynyári jellegű tulajdonságokkal rendelkező növényeket. Vagyis alapos oka van annak, hogy miért egynyáriak a termesztettt gabonák, ugyanakkor az évelőknek is vannak vonzó tulajdonságaik, amelyeket jó lenne integrálni a mezőgazdaság ezen ágába.

Az új kutatás során Bin Han növénygenetikus és Jia-Wei Wang fejlődésbiológus, a Kínai Tudományos Akadémia Molekuláris Növénytudományi Kiválósági Központjának munkatársai összefogtak, hogy azonosítsák a rizs évelőségét szabályozó géneket. Először egy gyakran vizsgált O. rufipogon törzset kereszteztek egy termesztett rizzsel, hogy sok utódot hozzanak létre, amelyek mindegyike a vad fajból származó különböző kis DNS-szegmensekkel rendelkezett. A kifejlődött növények közül kiválasztottak egyet, amelyet G43-nak neveztek el, és amely rendelkezett azzal a nélkülözhetetlen képességgel, hogy leállítsa a virágzást, és folytassa a vegetatív növekedést.

Minden rizsnövénynek, még a termesztett egynyári fajtáknak is, van egy rövid „második élete”. Miután az egynyári rizs gabonáját betakarították, a növények egy kis elágazó szárakat hajtanak, amelyeket sarjaknak neveznek, és amelyeken szintén gabona nő, bár nagyon kis mennyiségben. Han és Wang által nemesített G43 rizs azonban rendkívül termékeny volt: körülbelül 70 ilyen másodlagos hajtást növesztett, szemben az egynyári rizs növényének körülbelül tucatnyi másodlagos hajtásával.

A kutatók a késői növekedésért felelős géneket az 1. kromoszóma egy olyan régiójába térképezték fel, amelyet EBT1 névvel illettek. Mélyebb vizsgálatok során azonosították a két specifikusan felelős gént: a MIR156B-t és a MIR156C-t. Mindkettő olyan mikroRNS-eket termel, amelyek specifikus hírvivő RNS-ekhez kötődnek, elnyomva a génaktivitást egy olyan géncsaládban, amely a fiatal növények érettségéig tartó fejlődés időzítését szabályozza.

Hasonló MIR156 gének számos fűfajban léteznek, beleértve a búzát is, és expressziójuk általában csökken a növény virágzása után, véget vetve a növekedésnek. A G43-ban azonban ezek a gének másképp viselkedtek. Kifejeződésük a virágzás után szintén csökkent, majd újra emelkedni kezdett, lehetővé téve a hajtások további vegetatív növekedését. „Nem lennénk meglepve, ha más évelő gabonafélékben is hasonló mechanizmust találnánk” – mondja Han. Például egy az 1920-as években felfedezett mutáns kukoricatörzs bokrosan, folyamatosan növekszik, akárcsak a vadrizs. Ez a Corngrass1 néven ismert mutáns olyan MIR156 génekkel rendelkezik, amelyek viselkedése hasonló lehet az évelő rizséhez.

A G43 továbbra is egynyári növényként növekszik, felfelé törekedve, ahelyett, hogy a földön kúszna, ami lehetővé teszi az O. rufipogon másodlagos hajtásainak, hogy meggyökerezzenek, és új növényekké váljanak. A növények szerkezetének megváltoztatásához a csapat két gént, a PROG1-et és a TIG1-et adta hozzá a G43-hoz az O. rufipogonból. Az így kapott növények vadon élő rokonukhoz hasonlóan kúszó növekedést mutattak, és túlélték a kétéves szabadföldi kísérletet, ami biztató jel az élettartamukra nézve.

De a G43 előtt még áll egy nagy akadály. A másodlagos hajtások erőteljes új növényekké fejlődtek, de ezek a növények steril virágokat hoztak, amelyek nem termettek magot. Ugyanez a probléma merült fel, amikor a csapat az O. rufipogon teljes EBT1 régióját átvitte egy egynyári fajtába. Moto Ashikari, a Nagoya Egyetem növénygenetikus professzora ennek ellenére lenyűgözőnek találja az eredményeket: „Ez meggyőző bizonyíték arra, hogy az egynyári növényeket genetikai módszerekkel évelővé lehet alakítani.”

A csapat elismeri, hogy egyértelműen szükség van további génekre a sikerhez. Most olyan géneket kutatnak, amelyek visszaállíthatják a másodlagos hajtások termékenységét, és olyanokat vizsgálnak, amelyek a gyökerekhez és a rizómákhoz hasonló föld alatti szövetekben fejeződnek ki, hogy kiderítsék, támogatják-e az évelő növekedést és más, a termesztett növények számára kívánatos tulajdonságokat. Ha a biotechnológia segíthet ezeket a hiányzó részleteket pótolni, akkor végre megoldódhat a probléma, hogy hogyan lehet kereskedelmi szempontból használható évelő rizst kifejleszteni.