Генная сеть контролирует количество цветков и плодов в критическое окно роста растений

Существует огромное разнообразие в количестве цветков, производимых каждым из примерно 2800 видов растений семейства паслёновых, включая экономически важные культуры, такие как томаты, перец и картофель. Некоторые паслёновые, например перец, производят один цветок, в то время как другие, такие как томаты, образуют ветви с множеством цветков.

Чтобы понять причины различий, команда профессора Закари Липпмана из Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор использовала РНК-секвенирование. Учёные выявили сеть из сотен генов, которые совместно определяют продолжительность критического окна для роста стволовых клеток растений, дающих начало цветкам. Чем дольше это окно остаётся открытым, тем больше стволовых клеток развивается и тем больше цветков и ветвей может вырасти.

Исследователи также показали, что устранение активности трёх специфических генов в этой сети у растений томата — генов, чья активация обычно приводит к образованию нескольких цветков — приводит к появлению растений, производящих всего один или два цветка.

Как проводилось исследование

Цветки развиваются из стволовых клеток, расположенных на кончиках побегов в куполообразных структурах, называемых меристемами. Поскольку виды с разным строением соцветий, такие как паслёновые, не скрещиваются между собой, традиционные методы генетики не подходили.

Команда использовала сравнительную геномику и РНК-секвенирование, чтобы изучить, как активность тысяч генов меняется в критическое окно созревания меристемы у пяти видов паслёновых. Было проанализировано почти 20 000 генов.

Ключевые результаты

• Сеть из около 300 генов включалась и выключалась в процессе созревания меристемы.
• У растений с простыми соцветиями (один цветок) подмножество этих генов активировалось на ранних стадиях критического окна.
• У растений со сложными соцветиями (несколько цветков) тот же набор генов включался немного позже, продлевая окно и давая больше времени для формирования дополнительных популяций стволовых клеток. Это приводит к большему количеству ветвей и цветков, а у культур, таких как томат, — к более высокой урожайности.

Роль генов BOP

Среди сотен генов в сети была семья из трёх генов, называемых BLADE-ON-PETIOLE (BOP). Используя технику редактирования генов CRISPR, команда создала мутации в каждом из этих генов у томата. Когда были мутированы все три гена, соцветия растений производили всего один или два цветка.

Гены BOP кодируют транскрипционные кофакторы, которые контролируют экспрессию других генов. Вероятно, эти факторы включают специфические гены во время нормального роста, чтобы задержать созревание меристемы, по сути расширяя критическое окно для производства цветков.

Перспективы и ограничения

По словам Липпмана, возможно модифицировать сеть из 300 генов, включая гены BOP, чтобы манипулировать процессом созревания меристемы и контролировать характер цветения многих типов растений. Однако чрезмерное увеличение количества цветков может иметь обратный эффект: растение, перенаправляющее ресурсы на создание массы цветков, не сможет эффективно производить листья, плоды и семена.

«Если эволюция показала, что можно найти "золотую середину" у диких растений, значит, мы тоже должны быть способны достичь этой оптимальной точки у сельскохозяйственных культур, и мы считаем, что редактирование генов — это путь вперёд для достижения этой важной цели», — заключает Липпман.

Исследование «Эволюция разнообразия соцветий у паслёновых и гетерохрония во время созревания меристемы» опубликовано 7 ноября 2016 года в журнале Genome Research.