Ген PAR: ключ к созданию клональных семян у культурных растений

Международная команда исследователей из KeyGene, Вагенингенского университета (WUR, Нидерланды), а также из Японии и Новой Зеландии открыла ген PAR, который позволяет растениям производить семена, генетически идентичные материнскому растению, без необходимости опыления.

Это явление, называемое апомиксисом, даёт возможность растению с желательным набором признаков производить множество потомков с точно такой же комбинацией генов. Открытие, описанное в Nature Genetics, ожидает привести к крупным инновациям в селекции растений.

Значение для сельского хозяйства

Апомиксис считается «святым Граалем» сельского хозяйства, так как позволяет:

• Мгновенно закрепить уникальные комбинации ценных признаков растения.
• Ускорить селекцию новых культур.
• Снизить стоимость производства семян.
• Расширить преимущества гибридной селекции на большее число культур.

Хотя важность апомиксиса давно признана, его практическое применение в селекции до сих пор не было реализовано.

15 лет исследований на одуванчике

Учёные из KeyGene начали изучать генетику апомиксиса в начале 2000-х годов. В 2016 году они открыли ген DIP, отвечающий за первый этап апомиксиса — диплоспорию (образование яйцеклеток с нередуцированным числом хромосом).

Для второго этапа — партеногенеза (развития яйцеклетки в зародыш без оплодотворения) — был необходим ген PAR (от parthenogenesis). Исследования проводились на одуванчике, одном из 400 известных диких видов, размножающихся апомиксисом.

Как работает ген PAR

Исследователи из WUR обнаружили, что в норме ген PAR неактивен в яйцеклетках и включается только после оплодотворения, запуская деление и образование зародыша.

У апомиктичных одуванчиков ген PAR оказался включённым ещё до оплодотворения. Яйцеклетка «думает», что оплодотворена, и начинает делиться самостоятельно.

Связь с Менделем и «прыгающие гены»

Исследователи из Новой Зеландии изучали ястребинку — род растений, который подробно исследовал Грегор Мендель. Он не мог объяснить, почему признаки у ястребинки наследуются иначе, чем у гороха. Сегодня известно, что причина — апомиксис у ястребинки.

Сравнив геномы ястребинки и одуванчика (относящихся к одному семейству), учёные обнаружили общую особенность: у апомиктичных растений в промоторе гена PAR присутствует дополнительный фрагмент ДНК — транспозон («прыгающий ген»). Этот транспозон оказался в почти одинаковом месте у обоих видов, хотя их эволюционные пути разошлись более 13 миллионов лет назад. Это указывает на случай параллельной эволюции.

Перспективы для сельскохозяйственных культур

Большинство растений имеют гены, очень похожие на PAR и DIP одуванчика. Это говорит о том, что апомиксис — это модификация обычного полового размножения, и его можно широко применять в сельском хозяйстве с помощью современных инструментов, например, геномного редактирования.

Уже сейчас исследователи KeyGene вместе с учёными Takii Seed показали, что ген PAR может вызывать партеногенез у салата и подсолнечника, приближая перспективу создания апомиктичных культурных растений.