Удивительная структура половой хромосомы ивы кустарниковой

Пол у растений может быть запутанным. Большинство видов — гермафродиты, производящие и мужские, и женские гаметы в одной особи. Но некоторые, включая иву кустарниковую Salix purpurea, используют эволюционную стратегию, более знакомую нам: разделение на мужской и женский пол. Впервые половые хромосомы ивы кустарниковой были секвенированы с разрешением, достаточным для анализа их структуры. Учёные обнаружили как ген, вероятно важный для определения пола, так и общую генетическую архитектуру с Y-хромосомами млекопитающих: структуру, помогающую исправлять вредные мутации.

Ива кустарниковая и её близкий родственник Populus trichocarpa (тополь) — потенциальное сырьё для биотоплива, интересующее Министерство энергетики США (DOE). Для их генной инженерии исследователям нужно отбирать и скрещивать сорта. Понимание механизмов размножения может помочь в селекции. Например, открытие генетических маркеров пола позволяет учёным разрабатывать молекулярные анализы для определения пола у молодых растений, ещё не проявивших физических различий. Понимание механизмов определения пола также может привести к новым подходам для ускорения цветения, что ускоряет селекцию. А знание о том, как предотвратить цветение, может повысить биобезопасность генетически модифицированных деревьев.

Пол ивы кустарниковой определяется её половыми хромосомами. У этого вида, как и у некоторых растений и певчих птиц, система перевёрнута относительно человеческой: гетерогаметным (имеющим разные половые хромосомы) полом являются самки. Чтобы избежать путаницы с системой млекопитающих, хромосомы называют Z и W вместо X и Y, и комбинация ZW, а не ZZ, кодирует самок.

Чтобы лучше понять механизм определения пола, международная команда под руководством биолога растений Стивена ДиФацио из Университета Западной Вирджинии исследовала структуры половых хромосом одной мужской и одной женской особи. В работе участвовали учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Объединённого института генома Министерства энергетики США (JGI). JGI секвенировал хромосомы с помощью длинночтений, чтобы собрать повторяющиеся области полных половых хромосом. Результаты опубликованы в Genome Biology.

Команда обнаружила, что W-хромосома ивы имеет палиндромные структуры — впервые у половой хромосомы растения. Палиндромы — это крупные инвертированные повторы с высокой степенью сходства последовательностей, которые читаются одинаково (или почти) вперёд и назад. Считается, что палиндромы важны для человеческой Y-хромосомы, потому что она, как и W-хромосома, лишена партнёра для гомологичной рекомбинации. Палиндромы предоставляют альтернативу: благодаря внутреннему сходству последовательностей копии генов могут «сворачиваться» друг на друга и использоваться как шаблоны для исправления мутаций. Этот процесс, называемый генной конверсией, помогает сохранять целостность последовательностей. Разнообразие палиндромов в природе (например, в Y-хромосомах человека и W-хромосомах некоторых певчих птиц) говорит о том, что они достаточно выгодны, чтобы эволюционировать независимо много раз.

Исследователи также нашли ген, вероятно ответственный за определение пола. Поскольку многие гены различаются на половых хромосомах ивы, учёные исследовали, какие гены могут быть общими для Y-хромосомы тополя (у него система XY) и W-хромосомы ивы. Особо выделился один общий ген: цитокининовый регулятор ответа, который был увеличен в палиндроме и, как показано, подвергается генной конверсии у ивы. Этот ген регулирует экспрессию других генов в ответ на цитокинин — ключевой растительный гормон, что делает его правдоподобным механизмом определения пола у этих двух видов и, возможно, в более широком смысле.