Богатство генов для улучшения семян обнаружено в живых ископаемых
Семенные растения — важнейший источник пищи, топлива, лекарств и многого другого. Междисциплинарная команда исследователей объединила глубокие ботанические знания с мощными геномными технологиями, чтобы расшифровать и изучить ДНК нецветковых семенных растений и обнаружить гены, которые эволюционировали для помощи растениям в формировании семян.
Эти результаты, опубликованные в Nature Communications, могут помочь учёным в улучшении производства семенных культур в сельском хозяйстве и в сохранении этих древних исчезающих растений.
В этом исследовании, проведённом членами Консорциума по геномике растений Нью-Йорка, учёные изолировали и изучили гены семян, закодированные в геномах древнейших живых семенных растений — голосеменных.
Голосеменные, включающие хвойные и гинкго, имеют «голые» семена, не защищённые плодом, и являются одной из наиболее угрожаемых групп растений. Многие голосеменные также являются «живыми ископаемыми» — термин, введённый Дарвином, — из-за их существования на Земле со времён динозавров.
«Изучая голосеменные — виды, в которых впервые эволюционировали семена и которые составляют 30% мировых лесов — мы идентифицировали гены, поддерживающие эволюцию семян», — говорит Глория Корруцци из NYU.
Сбор и секвенирование образцов голосеменных
Исследователи из NYBG собрали развивающиеся семяпочки и листья 14 различных голосеменных и четырёх цветковых растений, а также споры двух видов папоротников (для сравнения).
В сотрудничестве с Лабораторией в Колд-Спринг-Харбор они извлекли транскрипты из этих образцов и использовали мощную технологию секвенирования ДНК. Команда из NYU собрала более 586 000 генов для этих видов, создав крупнейшую на сегодня коллекцию транскриптомов семяпочек голосеменных.
Обнаружение генов, связанных с эволюцией семян
Чтобы выявить роль этих генов в развитии семян, исследователи из NYU применили новый двухэтапный анализ, сочетающий эволюционную историю с данными об экспрессии генов.
Создав эволюционное дерево этих 20 видов в масштабе генома, они идентифицировали более 22 000 генов, содержащих информацию об истории этих семенных растений. Впервые было показано, что крупные эволюционные изменения в истории семенных растений обусловлены отбором генов, чья экспрессия меняется в процессе развития листьев и семяпочек.
В итоге команда обнаружила 4076 генов-кандидатов, которые, вероятно, сыграли специфическую роль в эволюции семян, включая гены с ранее неизвестной функцией у модельных видов.
Проверка функции генов в живых растениях
«То, что мы всё ещё можем открывать новые роли для этих генов у модельных видов, используя геномную информацию от этих ранних семенных растений, очень захватывающе», — говорит Вероника Сондерван, руководившая филогеномным анализом.
Чтобы подтвердить функциональную роль вновь обнаруженных генов, команда NYBG провела эксперименты на нескольких голосеменных. Например, они проверили экспрессию двух генов-кандидатов в семяпочках тиса ягодного (Taxus baccata).
Результаты подтвердили эволюционную значимость этих генов для распространения семян, показав их экспрессию по всей семяпочке, включая уникальные ариллусы (красные чашевидные структуры). Это говорит о том, что изменения в регуляции генов развития могут играть важную роль в формировании структур семян для улучшения распространения.
«Этот генетический ресурс для понимания развития семян может не только помочь улучшить признаки семян у различных культур, но и предоставить инструменты для защиты и размножения растений, находящихся под угрозой исчезновения, включая эти ценные живые ископаемые», — отмечает Сондерван.