Искривлённые пыльцевые трубки вызывают бесплодие у растений с множественными наборами хромосом

Большинство млекопитающих и людей имеют двойной набор хромосом, и, как правило, растения тоже: один набор от отца, другой от матери. Такие организмы называются диплоидами. Однако иногда число наборов хромосом удваивается от одного поколения к следующему: диплоидный организм внезапно становится тетраплоидом, то есть имеет четыре набора хромосом.

В отличие от людей, где множественные геномы обычно фатальны, полиплоидия может давать преимущества растениям. Растения с несколькими геномами лучше адаптируются к окружающей среде, устойчивы к засолению или засухе. Кроме того, они часто производят более крупные семена или плоды и дают больший урожай — многообещающие характеристики для сельскохозяйственных культур будущего.

Но есть одна проблема: вновь образованные полиплоидные особи вида растений обычно полностью или почти полностью стерильны и не могут легко размножаться. Причина бесплодия этих растений до конца не изучена.

Гены, контролирующие пыльцевую трубку

Кирстен Бомблис, профессор молекулярной эволюционной генетики растений ETH, и её команда обнаружили ранее неизвестный механизм снижения фертильности у полиплоидов. В недавнем исследовании, опубликованном в Science, учёные показали, что у вновь образованных полиплоидных растений пыльцевая трубка растёт неправильно.

В норме пыльцевое зерно, прилипшее к рыльцу цветка при опылении, прорастает в длинную трубку, которая растёт прямо и неразветвлённо через завязь к семяпочкам, где происходит оплодотворение.

Исследователи ETH наблюдали, что у вновь образованных полиплоидных растений пыльцевая трубка не растёт прямо и недостаточно длинная. «В наших экспериментах мы наблюдали всевозможные формы, — говорит Бомблис. — Эти пыльцевые трубки могли быть изогнутыми, разветвлёнными, короткими, даже лопнувшими, но ни одна из них не достигала цели». Это означает, что мужские гаметы, расположенные на кончике пыльцевой трубки, не могут слиться с яйцеклетками растения.

Бомблис и её коллеги исследовали это явление у резушки песчаной (Arabidopsis arenosa). В природе встречаются два типа этого дикорастущего цветка: один с двойным набором (как у нас) и один с учетверённым набором хромосом. Тетраплоидным резушкам удалось преодолеть недостаток дупликации генома и закрепиться в независимых популяциях.

В более ранних исследованиях таких тетраплоидных популяций резушки песчаной учёные выявили гены, связанные с фертильностью растения, для которых в тетраплоидах эволюционировали новые варианты. Теперь в этом исследовании они пошли от этих генов обратно, чтобы выяснить, какие признаки они производят. Это противоположно более распространённому подходу в эволюционной генетике, когда исследователи начинают с признака (фенотипа) и пытаются идентифицировать гены, которые его вызывают.

Обратный генетический поиск показал исследователям ETH, что два гена контролируют рост пыльцевой трубки. Более того, в устоявшихся тетраплоидных популяциях резушки песчаной рассматриваемые гены часто немного отличаются от версий, обнаруженных у диплоидных особей. «Другими словами, эволюция нашла способ минимально варьировать два гена таким образом, что тетраплоидные особи становятся фертильными», — говорит Бомблис.

Польза для селекции растений пока не ясна

Учёные ещё не раскрыли все секреты бесплодия вновь образованных полиплоидов. «В настоящее время мы исследуем другие гены-кандидаты, которые также участвуют в росте пыльцевой трубки», — говорит Бомблис.

Предстоит ещё выяснить, можно ли применить новые выводы к селекции растений. Однако два гена являются «высококонсервативными». Это означает, что они сохранялись на протяжении всей эволюционной истории организма и могут быть найдены у разных видов.

Таким образом, Бомблис полагает, что можно перенести два гена резушки песчаной на другие виды. В настоящее время она работает над этим со своей группой: исследователи проверяют, могут ли они перенести два гена в резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), близкого родственника резушки песчаной. «Если нам удастся перенести генную конструкцию на другой вид, это может открыть интересные возможности для выведения новых сельскохозяйственных культур», — говорит она.