Расшифровка генетики масштабирования высоты растений и веса семян у ячменя

Биологические функции, доступность ресурсов и эволюционные процессы часто играют ключевую роль в определении экспрессии генетических признаков и их корреляций. Многие признаки растений коррелируют из-за различных экологических факторов. Один из распространённых примеров — высота растения и размер семян.

Эта корреляция связана с аллометрическим масштабированием (относительные темпы роста разных частей организма по сравнению с его общим размером) и является положительной. Существует несколько концептуальных моделей, объясняющих механизм аллометрического масштабирования у растений, включая гипотезу о том, что современная селекция и доместикация сельскохозяйственных культур могут изменить эволюцию и паттерн экспрессии высоты растения и веса семян.

Однако генетические механизмы, влияющие на масштабирование размера и корреляцию признаков у растений, а также реальное влияние интенсивной доместикации и селекции оставались малоизученными.

Высокопроизводительное генотипирование и крупномасштабный фенотипинг обладают огромным потенциалом для расшифровки лежащих в основе генетических механизмов. В недавнем исследовании учёные из Австралии определили возможные генетические факторы, лежащие в основе корреляции между высотой растения и весом семян у ячменя. В исследовании использовался профиль однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) по всему геному для разнообразного набора образцов ячменя для измерения различий в высоте растения и весе семян.

Профессор Чэндао Ли, ведущий автор исследования из Университета Мёрдока, объясняет: «Полногеномные ассоциативные исследования (GWAS) показали, что SNP могут помочь выявить генетические варианты, влияющие на два или более признака. Более того, как только физическое положение ответственного генетического варианта определено на хромосоме, можно исследовать их генетическую сцепленность».

«Мы выбрали ячмень для нашего исследования, поскольку это одна из важнейших зерновых культур, которая подверглась обширному геномному изучению, и для которой доступно множество геномных и фенотипических данных».

Исследование опубликовано в Plant Phenomics.

Профессор Ли и его команда проанализировали фенотипические данные по высоте растения и весу семян вместе с высокоплотным набором данных SNP по всему геному для 12 828 образцов ячменя, включая как культурные, так и дикие формы. Сначала они оценили наследуемость и корреляцию между признаками, а затем с помощью GWAS-анализа идентифицировали SNP, ассоциированные с каждым из этих признаков.

Затем они определили плейотропный эффект (механизм корреляции признаков, при котором генетический вариант влияет на два или более фенотипических признака) каждого SNP на высоту растения и вес семян с помощью геномного моделирования структурными уравнениями. Дополнительно они оценили влияние генетической сцепленности на два признака, используя анализ затухания неравновесного сцепления (LD decay).

Исследователи обнаружили, что хотя высота растения и вес семян были наследуемыми и положительно коррелировали у культурного ячменя, у дикого ячменя это было неочевидно. Кроме того, культурные формы ячменя короче и имеют более мелкие семена, чем дикие, что говорит о меньшем влиянии прямого искусственного отбора на масштабирование этих признаков.

Команда также идентифицировала 20 SNP, которые оказывали плейотропный эффект на оба признака и были ассоциированы как минимум с тремя функциональными генами, связанными с ростом и развитием растений. Наконец, анализ LD decay показал, что значительное количество генетических маркеров, влияющих на один или оба признака, тесно сцеплены на хромосоме.

Эти результаты ясно указывают, что в основе масштабирования высоты растения и веса семян у ячменя лежат два различных генетических механизма — плейотропия и генетическая сцепленность.

«Наши результаты позволяют лучше понять генетические факторы, лежащие в основе масштабирования размера, что, в свою очередь, может расширить возможности для изучения других механизмов аллометрического масштабирования у растений. Хотя наше исследование рассматривало масштабирование у одного вида сельскохозяйственной культуры, оно указывает на возможное существование сходных геномных механизмов аллометрического масштабирования у других видов растений», — отмечает профессор Ли.

Более того, поскольку масштабирование размера у ячменя положительно коррелировано, генетически ограничено и минимально затронуто доместикацией, результаты этого исследования могут иметь значение для селекции сельскохозяйственных культур, где желательны коррелированные признаки в противоположном направлении.