Прыгающий ген сыграл ключевую роль в одомашнивании кукурузы

Кукуруза отделилась от своего ближайшего родственника — теосинте, дикой мексиканской травы — около 10 000 лет назад благодаря усилиям первых мексиканских фермеров. Сегодня сложно поверить, что эти растения были близкими родственниками: кукуруза высокая, с одним крепким стеблем и несколькими крупными початками, наполненными зёрнами. Теосинте же — ветвистый и кустистый, с десятками небольших «початков» размером с палец, каждый из которых содержит всего около дюжины твёрдых зёрен.

Учёные определили одно из ключевых генетических изменений, которое проложило путь к одомашниванию кукурузы. Основное изменение произошло около 23 000 лет назад, когда небольшой фрагмент ДНК — прыгающий ген Hopscotch — встроился в регуляторную область гена теосинте teosinte branched 1 (tb1), влияющего на архитектуру растения. Этот случай — один из первых, показывающих, что прыгающий ген может вызывать изменения в экспрессии генов, влияющие на эволюцию.

«Hopscotch усилил экспрессию гена, что помогло растению производить более крупные початки с большим количеством зёрен и стать менее ветвистым. Поэтому первые фермеры отбирали для разведения растения с Hopscotch», — говорит Джон Доубли, генетик растений из Университета Висконсин-Мэдисон.

Прыгающие гены (транспозоны) — это фрагменты ДНК, способные «вырезаться» из одного участка генома и «встраиваться» в другой. Обычно их эффекты нейтральны или вредны, но иногда они могут быть полезными.

В кукурузе Hopscotch усиливает экспрессию гена tb1. Этот ген кодирует белок-репрессор, который подавляет ветвление, стимулируя растение расти одним стеблем и производить более крупные початки. Когда первые фермеры столкнулись с теосинте, имеющим эту вставку, такие редкие растения стали ценным материалом для селекции: сегодня 95% современной кукурузы имеют это конкретное генетическое изменение.

Хотя в последние годы исследователи находят всё больше случаев, когда транспозоны связаны с изменённой экспрессией генов, эти связи часто лишь корреляционные. В данной работе авторы экспериментально доказали, что Hopscotch действительно вызывает повышенную экспрессию гена. Это делает исследование одним из первых, доказывающих, что прыгающие гены могут влиять на экспрессию генов и, как следствие, на эволюцию.

«Редко когда генетики могут объяснить генетические изменения, вовлечённые в одомашнивание, на таком уровне детализации», — отмечает Доубли.

Ранее команда Доубли помогла идентифицировать теосинте как ближайшего родственника кукурузы, а в 2005 году показала, что за удаление твёрдой оболочки вокруг зёрен теосинте (ещё один критический шаг в одомашнивании) также ответственна единственная генетическая мутация.

Понимание того, что сработало в прошлом, может повлиять на современные усилия по улучшению кукурузы в селекции и биотехнологии растений.