Хлоропласты могут наследоваться от отца при низких температурах

Ученые из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Потсдаме проанализировали наследование хлоропластов почти у 4 миллионов растений табака.

Вопреки преобладающему мнению, что хлоропласты передаются только от материнского растения, отцовские хлоропласты также могут передаваться потомству в условиях холода. Это открывает возможность обмена генетическим материалом между хлоропластами двух родителей. Результаты открывают новые перспективы для селекции растений и эволюционных исследований. Исследование опубликовано в Nature Plants.

Собственный геном хлоропластов

Помимо генетического материала в ядре клетки, митохондрии и хлоропласты также содержат собственный геном. Это связано с их бактериальным происхождением.

Известно, что геномы митохондрий и хлоропластов, в отличие от ядерной ДНК, наследуются почти исключительно от матери. Если они никогда не встречаются в потомстве, то не могут обмениваться генетическим материалом («заниматься сексом»), что теоретически должно приводить к накоплению вредных мутаций.

Анализ 4 миллионов растений

Ученые создали растения-отцы с хлоропластами, устойчивыми к антибиотику. Эти растения подвергались различным условиям (жара, холод, засуха, яркий свет) во время созревания пыльцы.

Этой пыльцой опыляли немодифицированные материнские растения. Семена выращивали на среде с антибиотиком, где выживали только отцовские хлоропласты (зеленые сеянцы), а материнские — погибали (бледные сеянцы).

Анализ почти 4 миллионов сеянцев показал, что доля унаследованных от отца хлоропластов в 150 раз выше при холодной обработке, чем при нормальной температуре.

Механизм и последствия

Исследователи предположили, что за блокировку отцовского наследования отвечает фермент, активность которого замедляется на холоде. Растения с дефектным ферментом также показали резко увеличенное отцовское наследование хлоропластов.

Сочетание холода и дефекта фермента привело к уровню отцовского наследования в 2–3%. Это гигантский скачок по сравнению с вероятностью 1 на 100 000 в нормальных условиях.

Это открытие позволяет манипулировать наследованием хлоропластов через температуру и генетические изменения, что открывает новые возможности для селекции растений. Ранее признаки, кодируемые в геноме хлоропластов, нельзя было передавать отдельно.

Гибкий ответ типа наследования на условия среды заставит эволюционных биологов пересмотреть некоторые теории. Исследование также подчеркивает важность учета environmental conditions в генетических исследованиях.