Как Capsella последовала своему одинокому сердцу
В семействе растений Brassicaceae наблюдается поразительное разнообразие форм плодов. Но даже в этой разнообразной компании сердцевидные стручки рода Capsella выделяются особенно.
Около 8 миллионов лет назад Capsella вступила на иной эволюционный путь, чем её близкие родственники Arabidopsis и Camelina.
Это привело к радикально разным формам плодов, которые у этих растений представляют собой стручки, заключающие в себе семена до их рассеивания (дехисценции). Плоды Arabidopsis цилиндрические, у Camelina — сферические, а Capsella явно следует своему собственному сердцу.
Большая часть разнообразия в Brassicaceae сосредоточена в одной части плода, называемой створками или стенками стручка. Однако до сих пор не было ясно, какие механизмы лежат в основе этих различий.
Исследование, опубликованное в журнале Current Biology, раскрывает ключевые процессы, вовлечённые в этот генетический путь, и предоставляет доказательства того, как и почему возникают эти формы.
Команда из Центра Джона Иннеса использовала технологию редактирования генов, трансгенные растения и методы молекулярной репортерной визуализации, чтобы показать, что в основе явления лежит хорошо изученный ген INDEHISCENT (IND).
У модельного растения Arabidopsis этот ген локально экспрессируется только в полосках клеток, регулирующих рассеивание семян (раскрытие стручка).
Эксперименты показали, что у Capsella IND расширил свою локальную экспрессию в верхнюю часть створок — «плечики», которые придают растению характерную сердцевидную форму плодов. У мутантных линий, полученных с помощью редактирования генов и лишённых гена IND, «плечики» были значительно менее выражены по сравнению с диким типом.
Предыдущие исследования показали, что IND регулирует гормон роста растений ауксин. Здесь команда использовала два репортёрных гена с флуоресцентными метками, которые выделили отдельные точки или максимумы ауксина в двух «плечиках» сердцевидных стручков Capsella. Однако эти максимумы отсутствовали у растений без активности IND.
«Таким образом, мы можем чётко сказать, что IND важен для формы плода Capsella, и он опосредует свои эффекты, напрямую повышая биосинтез ауксина в этих стручках, чтобы направлять рост к этим пикам», — объясняет профессор Ларс Остергаард из Центра Джона Иннеса, соавтор исследования.
«Вот что делает это исследование таким захватывающим. Мы не только выяснили, что IND играет как минимум частичную роль в создании формы, но и обнаружили, что этот ген делает в ткани, чтобы позволить этой форме сформироваться», — добавляет он.
Но почему эти загадочные формы эволюционировали за последние 8 миллионов лет?
«Из углерода и сахаров, которые производятся в стручке из захваченного солнечного света в процессе фотосинтеза, около 50% идёт на рост семян. Таким образом, можно представить эволюционное преимущество для Capsella благодаря её более крупной и плоской форме», — говорит профессор Остергаард.
Семейство Brassicaceae включает множество экономически важных сельскохозяйственных культур, таких как рапс. Возможно, эти последние открытия, сделанные на Capsella, найдут применение в коммерческих культурах будущего:
«Используя эти фундаментальные знания и применяя их к коммерческой культуре, мы можем создать более плотный полог рапса с большей площадью поверхности стручков, чтобы семена росли крупнее, а урожайность увеличивалась», — говорит профессор Остергаард.
Результаты подтверждают растущее число исследований в области биологии развития, которые показывают, что изменения в регуляторной последовательности ДНК ключевых контролирующих генов, таких как IND, могут приводить к разнообразным паттернам экспрессии, ответственным за изменения формы органов как в естественной эволюции, так и в процессе одомашнивания культур.
Полные результаты изложены в статье: Regulatory diversification of INDEHISCENT in the Capsella genus directs variation in fruit morphology — Current Biology.