Нестабильность геномов у недавно образовавшихся растений может улучшить урожайность сельхозкультур

Исследование Университета Флориды показало, что геномы недавно сформировавшегося вида растений обладают высокой нестабильностью. Это явление может иметь далеко идущие эволюционные последствия.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые задокументировало хромосомные вариации в природных популяциях недавно образовавшегося вида растений после удвоения всего генома (полиплоидии). Поскольку многие сельскохозяйственные культуры являются молодыми полиплоидами, эти данные могут быть использованы для выведения растений с более высокой плодовитостью и урожайностью. К полиплоидным культурам относятся пшеница, кукуруза, кофе, яблоки, брокколи и некоторые виды риса.

Метод "окраски хромосом" и неожиданные результаты

Учёные проанализировали около 70 растений Tragopogon miscellus (семейство астровых), вид которого возник на северо-западе США около 80 лет назад. Новый вид образовался естественным путём при скрещивании двух растений, завезённых из Европы, с последующей полиплоидией.

Используя метод "окраски хромосом" для визуализации ДНК, исследователи обнаружили, что, хотя удвоение генома изначально приводит к появлению вида с 12 хромосомами от каждого родителя, впоследствии их количество у многих растений варьируется.

"Окрашивание" происходит путём присоединения разных красителей к ДНК двух родительских видов. При нанесении красителя происходит совпадение ДНК "краски" и хромосомы. Под микроскопом хромосомы окрашиваются в один цвет или другой (красный или зелёный) в зависимости от родительского происхождения. Иногда хромосомы представляют собой мозаику обоих цветов из-за перестройки хромосом и обмена ДНК между родителями.

"Вместо ожидаемых 12 хромосом от каждого родителя (у полиплоида 24 хромосомы) оказывается 11 от одного и 13 от другого, или 10 и 14", — отметила соавтор исследования Пэм Солтис.

Последствия для плодовитости и сельского хозяйства

Из шести изученных популяций в штатах Вашингтон и Айдахо у 69% растений наблюдалось отклонение от ожидаемой схемы 12 и 12 хромосом.

"Для успешного скрещивания большинства растений их хромосомы должны совпадать. Этого не происходит, когда числа хромосом не равны, поэтому могут развиться хромосомные барьеры для плодовитости", — пояснил ведущий автор Майкл Честер.

Этот механизм может также объяснять низкую плодовитость у других растений, включая сельскохозяйственные культуры.

Родительские виды Tragopogon dubius и Tragopogon pratensis были завезены в США в 1920-х годах. Tragopogon miscellus часто называют "Джон-ложись-в-полдень" из-за того, что его цветок раскрывается всего на несколько часов утром.