Цветковые растения эволюционно развили множество генов для предотвращения инбридинга
Исследовательская группа под руководством профессора биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета Те-Хуи Као в сотрудничестве с командой профессора Сейджи Такаямы из Научно-технологического института Нары (Япония) обнаружила у петунии большой набор генов, которые предотвращают самоопыление или скрещивание с близкими родственниками и способствуют скрещиванию с неродственными особями.
Как и у людей, инбридинг у растений может снижать жизнеспособность потомства. Поэтому растения развили механизмы, обеспечивающие преимущества гибридной силы (гетерозиса) — результат скрещивания генетически различных особей одного вида. Открытие множества генов, предотвращающих инбридинг, будет опубликовано 5 ноября 2010 года в журнале Science. Это открытие последовало за более ранней идентификацией Као двух других генов с аналогичной функцией у того же растения.
Предыдущие исследования
Многие цветковые растения, включая петунию, являются гермафродитами и имеют механизм самонесовместимости — способность распознавать свои и чужие компоненты в мужских и женских репродуктивных органах, чтобы предотвратить самооплодотворение.
В 1994 году команда Као обнаружила первый ключевой ген — S-RNase (где S означает самонесовместимость) у Petunia inflata. Этот ген контролирует самонесовместимость в пестике (женском органе), позволяя ему распознавать собственную и чужую пыльцу и специфически уничтожать собственную.
В 2004 году команда объявила об открытии мужского аналога — гена Type-1 SLF. Он контролирует самонесовместимость в пыльце, распознавая S-RNase белки пестика и специфически обезвреживая чужие S-RNase, тем самым позволяя перекрёстное опыление.
Было установлено, что гены S-RNase и Type-1 SLF работают согласованно: растение, опылённое собственной пыльцой или пыльцой схожего генотипа, не производит семян, а при опылении пыльцой достаточно отличного генотипа — успешно размножается.
Однако дальнейший анализ выявил парадокс: у Type-1 SLF была гораздо более короткая эволюционная история и меньшее аллельное разнообразие по сравнению с S-RNase. Это противоречило ожидаемой коэволюции генов и ставило вопрос, как один тип SLF-белка может распознавать большой репертуар из 40 и более высокодивергентных S-RNase белков.
Новые открытия
В готовящейся публикации в Science команда объявляет об идентификации пяти дополнительных типов генов SLF — от Type-2 до Type-6 SLF, — расположенных в той же хромосомной области, что и Type-1 SLF.
Выяснилось, что хотя Type-1 SLF играет важную роль, Type-2, Type-3 и, вероятно, другие типы SLF генов также контролируют самонесовместимость. Каждый белок Type-1 SLF может распознавать лишь ограниченное число чужих S-RNase. Дополнительные типы SLF белков распознают другие наборы чужих S-RNase. Все они вместе обеспечивают распознавание всего спектра чужеродных компонентов.
Это открытие решает загадку коэволюции мужских и женских генов и объясняет, как пыльца может распознавать большое количество высокодивергентных S-RNase белков.
Аналогия с иммунной системой
Као сравнивает систему самонесовместимости растений с адаптивным иммунитетом позвоночных. Растению, как и организму, необходимо отличать своё от чужого.
Подобно тому, как у нас есть множество типов T-клеточных рецепторов для распознавания различных чужеродных антигенов, растения развили множество версий генов самонесовместимости, которые производят несколько типов SLF белков в пыльце. Эти белки коллективно распознают большой набор возможных чужих элементов — S-RNase белков.
Исследование в Penn State финансировалось Национальным научным фондом (NSF).