Небольшой участок ДНК с большим влиянием на форму листа

Миллионы лет назад некоторые растения семейства капустных перешли от простых листьев к сложным благодаря двум крошечным изменениям в одном гене. Одно изменение в небольшой последовательности-энхансере привело к появлению у гена новой области экспрессии в листе. Парадоксально, но другое изменение субоптимизировало его функцию в этой новой области. Но вместе эти изменения породили приспособленные растения со сложными листьями.

Таковы выводы исследования, опубликованного на этой неделе в Genes and Development. Работа, основанная на исследованиях из Института селекции растений Макса Планка (MPIPZ), демонстрирует конкретный генетический механизм, благодаря которому у растений капустных развилась сложная, а не простая форма листа.

Один из лучших способов изучить изменения во времени — наблюдать различия между родственными видами. Два родственника из семейства капустных, резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) и сердечник волосистый (Cardamine hirsuta), имеют разную форму листьев — простой лист резуховидки сильно отличается от сложного листа сердечника.

Ученые из MPIPZ ранее обнаружили, что гомеобоксный ген под названием RCO важен для вариаций формы листа у капустных. Ген RCO (сокращение от reduced complexity) есть у сердечника волосистого, где его функция — разделять лист на отдельные листочки, локально подавляя рост по краям листа, создавая сложную форму. RCO возник в семействе капустных путем дупликации уже существующего гена LMI1.

В текущем исследовании ученые идентифицировали небольшой участок ДНК, называемый энхансером, который определяет, почему для создания сложных листьев необходим именно RCO, а не LMI1. Этот энхансер «эволюционировал, чтобы включать каждый ген для производства белка в совершенно разных областях листа — LMI1 на кончике, а RCO у основания листа». Ученые обнаружили, что при замене этого энхансера в гене LMI1 на последовательность RCO, резуховидка Таля (у которой нет гена RCO) начинала выращивать сложные, а не простые листья, как у сердечника. Они пришли к выводу, что приобретение энхансера RCO было ключевым шагом в эволюции сложной формы листа у сердечника.

Белки, генерируемые генами RCO и LMI1, являются сильными репрессорами роста и потенциально опасны для растения: их избыток производит миниатюрные растения. Более того, эти белки не полностью взаимозаменяемы — LMI1 может выполнять функцию RCO для увеличения сложности листа, но ценой уменьшения его размера. «Существует компромисс между способностью менять форму и потенциальными негативными эффектами на рост и развитие».

Ученые обнаружили, что единственная замена аминокислоты, снизившая стабильность белка RCO по сравнению с LMI1, позволила максимизировать баланс между увеличением сложности листа и сохранением хорошего размера листа. Сравнивая скорость эволюции генов RCO и LMI1, ученые заключили, что естественный отбор действовал на последовательности ДНК RCO, чтобы сохранить изменения как в кодирующей последовательности (которая производит белок RCO), так и в энхансере (который его регулирует).

Ученые обнаружили, что RCO положительно влияет на фиксацию диоксида углерода во время фотосинтеза и на урожай семян растения, что повышает шансы растения на успех и выживание.

В эволюционном плане наиболее интересно, что это исследование показывает, как энхансер RCO работает на благо растения, делая ген RCO в целом менее эффективным; то есть эволюция вносит изменения в генетическую структуру растения и одновременно ослабляет потенциальные негативные последствия этих изменений. Связанное изменение в регуляции и функции белка гомеобоксного гена растения «предоставляет хрестоматийный пример двойной субфункционализации в развитии, и лежащий в основе принцип также применим ко многим примерам морфологического разнообразия и сложности в животных системах».