Секрет коротких стеблей

Нормальная высота растений — критически важный признак. В дикой природе Arabidopsis thaliana использует те же генетические изменения в биосинтезе фактора роста гиббереллина для сокращения своего размера вдвое, что и полукарликовые сорта риса и ячменя, выведенные человеком. При проявлении одного и того же фенотипа различные виды растений, по-видимому, обращаются к одним и тем же генам в своем генотипе. Должны существовать так называемые «горячие точки», повторная мутация в которых приводит к появлению одинаковых признаков, полезных в определенных условиях.

Высокорослые растения могут быть великолепны на клумбах. Однако длинные стебли на хлебном поле представляют опасность для урожая. Высокие сорта риса или ячменя слишком легко полегают под тяжестью своих метелок или колосьев. Во время «зеленой революции» 1960-х годов для сельского хозяйства развивающихся стран было создано множество высокоурожайных сортов с половинной высотой. Многие сорта риса и ячменя обязаны своим низким ростом дефициту гиббереллина. Помимо линейного роста, этот фактор роста растений способствует прорастанию семян и развитию цветков. Генетические изменения у полукарликовых сортов риса и ячменя эпохи «зеленой революции» блокируют заключительный этап биосинтеза гиббереллина. Мутировавший ген носит загадочное название GA20ox1.

Маартен Корнниф и его коллеги из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне исследовали, имеют ли растения Arabidopsis в дикой природе, растущие вдвое ниже других представителей своего вида, также мутировавший аллель GA20ox1, как и низкорослые сорта риса и ячменя. «Нам хотелось бы знать, обнаруживаются ли одинаковые генетические причины для одного и того же фенотипа при естественном отборе в дикой природе и при искусственном отборе в селекции растений», — поясняет Корнниф.

Arabidopsis встречается только в Северном полушарии. Исследователи из Кёльна вместе с коллегами из других стран обнаружили образцы полукарликового Arabidopsis в 23 локациях по всей Европе, Азии и Японии. С помощью генетических скрещиваний они показали, что у большинства собранных образцов растений этот признак можно проследить до изменений в гене GA20ox1. Этот ген особенно интересен у Arabidopsis, так как его мутации вызывают только полукарликовость и не оказывают дальнейшего негативного влияния на жизнеспособность растений, несмотря на важность гиббереллина. «Причина в том, — говорит Корнниф, — что у Arabidopsis есть другие дополнительные гены для биосинтеза гиббереллина. Эти гены подключаются, если GA20ox1 не функционирует. По-видимому, они могут компенсировать все эффекты его потери, кроме полукарликовости».

Какие изменения заставляют Arabidopsis «выключать» ген GA20ox1 в дикой природе? Корнниф и его коллеги идентифицировали шесть различных генетических причин полукарликовости. Среди них — мутации, препятствующие образованию фактора роста правильного размера, мутации, заменяющие особенно важные аминокислоты на бесполезные, а также мутации, нарушающие правильный сплайсинг матричной РНК перед биосинтезом белка. Кроме того, ученые обнаружили мутации, изменяющие рамку считывания гена GA20ox1 путем удаления части гена с последующим удлинением генной последовательности за счет вставки чужеродной ДНК — так называемого транспозона.

Более того, Корнниф и его коллеги смогли показать, что Arabidopsis в дикой природе лишь редко проявляет полукарликовость. Они описывают частоту этого признака как 1–5%. «Если частота так варьируется в зависимости от части света, значит, не может быть единственного фактора, ведущего к формированию этого фенотипа, — говорит Корнниф. — Один из этих факторов — локальная среда».

Исследования Корннифа также доказывают, что полукарликовость возникала независимо в каждом месте. «Полукарликовые растения Arabidopsis всегда имели разный генетический фон, — поясняет генетик, — и фактически были родственны своим собратьям по виду на тех же участках. Это означает, что возникшая в одном месте мутация не распространялась». Признак также не распространялся на большие территории, за исключением Нидерландов. Анализ последовательности ДНК показывает, что некоторые растения пытались вновь избавиться от полукарликовости. Однако другие растения в некоторых местах отбирались по этому карликовому фенотипу, поскольку он, по-видимому, давал им преимущества. Таким образом, ген GA20ox1 является одной из тех «горячих точек» в геноме растений, которая неоднократно мутирует, если определенный фенотип оказывается полезным, по крайней мере, в некоторых специфических условиях.