Культурные растения эволюционировали, обмениваясь генетическими модулями между клетками

Сравнение отдельных клеток кукурузы, сорго и проса выявило эволюционные различия между этими важными злаковыми культурами. Исследование провели учёные Нью-Йоркского университета.

Результаты, опубликованные в Nature, приближают учёных к определению генов, контролирующих важные сельскохозяйственные признаки, такие как засухоустойчивость. Это поможет адаптировать культуры к более засушливым условиям в условиях меняющегося климата.

Кукуруза, сорго и просо — древние родственники. Кукуруза и сорго разошлись в разные виды примерно 12 миллионов лет назад, а просо является более дальним родственником. Несмотря на общее происхождение, культуры имеют существенные различия в ключевых признаках. Например, сорго гораздо более устойчиво к засухе, чем кукуруза, а корни растений выделяют уникальные слизистые вещества, формируя взаимодействие с почвой. Эти различия могут быть связаны с дупликацией всего генома у кукурузы после её разделения с сорго.

Сравнение экспрессии генов на клеточном уровне

Исследователи провели профилирование единичной клеточной mRNA корней кукурузы, сорго и проса. Они сравнили одни и те же специализированные клетки у трёх культур.

«Корни — это первая линия защиты от засухи и жары. Сравнение разных видов помогает нам выявить, какие гены приводят к ключевым сельскохозяйственным признакам», — пояснил старший автор исследования Кеннет Бирнбаум.

Эволюционное «конструирование» и обмен модулями

Анализ показал, что эволюция клеток шла по пути «конструирования» — перестановки существующих элементов. Ключевая находка: клетки часто «обмениваются» модулями экспрессии генов — группами из 10 или 50 генов со скоординированными функциями — между разными типами клеток в ходе эволюции.

«Такой обмен генными модулями был показан в животных системах, но наши данные впервые иллюстрируют это на большом уровне у растений», — добавил Бирнбаум.

Пример: гены корневой слизи

Этот обмен модулями продемонстрирован на примере генов, отвечающих за выработку корневой слизи — питательного вещества, привлекающего полезные бактерии.

• У сорго эти гены находились в наружной ткани корня.
• У кукурузы они «переместились» в новый тип клеток корневого чехлика.

Эта эволюционная перестановка, возможно, позволяет кукурузе привлекать бактерии, помогающие усваивать азот.

Влияние дупликации генома

Исследование также показало, что дупликация всего генома у кукурузы затронула определённые типы клеток, позволив им быстро специализироваться. Некоторые клетки выступали «донорами» новых генов, а другие — их «собирателями», что указывает на ускорение эволюции отдельных клеток за счёт дупликации генов.

Методология и перспективы

Работа стала возможной благодаря прогрессу в методах секвенирования единичных клеток.

«Десять лет назад мы могли анализировать лишь дюжину клеток. Теперь мы можем профилировать десятки тысяч клеток в рутинном эксперименте», — отметил Бирнбаум.

Следующим шагом будет сравнение реакции клеток этих культур на стресс, такой как засуха.

«Именно эта реакция может стать ключом к обнаружению набора генов, действительно важных для засухоустойчивости», — заключил учёный.