Кукуруза с обёртками развивает листья в соцветиях

У разновидности кукурузы, известной как «плёнчатая» или «кукуруза в обёртках» (pod corn, tunicate maize), зёрна на початке не «голые», а покрыты длинными перепончатыми обёртками — глюмеллами. Учёные из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне и Йенского университета имени Фридриха Шиллера выяснили, что эта особенность возникает из-за активности гена листа в початке, где он в норме не активен. Таким образом, плёнчатая кукуруза — не дикий предок маиса, а мутант, формирующий листья в неправильном месте.

Плёнчатая кукуруза имеет впечатляющий вид, который два столетия привлекал натуралистов. В этой разновидности зёрна обёрнуты тонкими глюмеллами, которые в сухом виде похожи на тонкую бумагу и напоминают листовое влагалище. Мужские цветки, собранные в метёлку на конце стебля, также окружены длинными обёртками, а иногда даже развивают зёрна, которые в норме встречаются только в початке. Листья плёнчатой кукурузы похожи на листья обычного растения. Эта разновидность имела ритуальное значение для некоторых индейских племён и поэтому встречается по всему Американскому континенту.

Предполагаемая роль плёнчатой кукурузы в одомашнивании маиса долго была предметом споров. Одни учёные считали её диким предком современных сортов с голыми зёрнами. Другие с этим не соглашались — и, как теперь известно, были правы. Диким предком современных сортов является не плёнчатая кукуруза, а неприметный злак теосинте.

Хайнц Зедлер, Гюнтер Тайсен и их коллеги обнаружили, как возникает эффектный вид плёнчатой кукурузы. Их выводы показывают, что эта разновидность не связана с одомашниванием маиса, а является мутантом, формирующим листья в неправильном месте. Важное вдохновение для исследования дали генетические эксперименты 1950-х годов. «Из старых скрещиваний мы знали, что мутация должна состоять как минимум из двух генетических компонентов, которые могут наследоваться отдельно. Если унаследован только один компонент, обёртки, окружающие зёрна у такого мутанта, значительно меньше и менее заметны, чем у мутантов с обоими компонентами. Однако они не такие крошечные, как глюмеллы у обычных растений кукурузы, где зёрна сидят на початке голыми», — объясняет Хайнц Зедлер.

Исследователям удалось показать, что эти компоненты — две копии одного и того же гена, расположенные в тандеме на хромосоме 4. Хотя сам ген у плёнчатой кукурузы intact, повреждена область, контролирующая его транскрипцию. В результате этого дефекта теряется пространственный контроль активности гена в правильных органах растения. Поэтому в мутировавшей форме этот ген активен и в початке, а не только в растущих листьях. «Ген содержит информацию для транскрипционного фактора. Благодаря своей эктопической активности в мужском и женском соцветиях, он контролирует набор так называемых «генов-мишеней» и, следовательно, программу в обёртках, которая в норме зарезервирована для развития листа и не должна быть активна в соцветии. В результате этой ошибочной активности глюмеллы принимают листоподобный характер роста и разрастаются, пока зёрна не оказываются полностью покрыты», — говорит Гюнтер Тайсен.

Эти находки также объясняют существование плёнчатой кукурузы с меньшими обёртками. «Степень проявления этого фенотипа зависит от того, есть ли на хромосоме одна или две копии повреждённого гена, и является ли растение гомо- или гетерозиготным по этому гену», — говорит Тайсен. «Если присутствует одна копия гена, эффект на программу развития листа лишь вдвое слабее, чем при двух копиях. Следовательно, этот генетический эффект аддитивный. Доза гена определяет силу мутантного фенотипа». Тайсен и его коллеги также смогли показать, что мутировавший ген принадлежит к целому семейству генов контроля развития, известному как семейство MADS-бокс генов. Другие представители этого семейства контролируют иные процессы развития растения.