Как львиный зев получил свой «щелчок»
Учёные из Центра Джона Иннеса и Университета Восточной Англии используют мощную комбинацию компьютерного моделирования и экспериментальной генетики, чтобы понять, как сложные формы органов в природе создаются взаимодействием генов. Их выводы повлияют на представления об эволюции этих форм.
«Как сердце, крылья или цветок обретают свою форму? — задаётся вопросом профессор Энрико Коэн. — В отличие от созданных человеком вещей, здесь нет внешней руки или машины, направляющей формирование; эти структуры растут, принимая определённые формы, самостоятельно».
Используя цветок львиного зева (Antirrhinum) в качестве удобного объекта, учёные Нориджского исследовательского парка при поддержке BBSRC нашли часть ответа.
У львиного зева два верхних и три нижних лепестка формируют определённые формы, точно соединяясь в трубку с «шарниром». Когда пчела садится на нижние лепестки, шарнир открывает цветок, обеспечивая доступ к нектару и пыльце. Известно, что на форму лепестков влияют четыре гена, но как именно они работают вместе и как эта форма эволюционировала, было неизвестно.
Меняя время и способ включения/выключения генов, участвующих в росте, и отслеживая, как эти изменения влияют на развитие формы, исследователи получили ключи к контролю формы генами. Затем с помощью компьютерного моделирования они показали, как цветок может формироваться автоматически, следуя базовым правилам роста.
Ключевой вывод: гены контролируют не только скорость роста разных областей лепестка, но и его ориентацию. Как будто каждая клетка имеет химический компас, позволяющий ей ориентироваться в ткани и расти больше в одних направлениях, чем в других. Гены также влияют на эквивалент «магнитных полюсов» — ключевые области ткани, на которые указывают эти компасы. Работа, опубликованная в PLoS Biology, показывает, как эти принципы позволяют формироваться сложным биологическим формам.
«Сейчас мы пытаемся лучше понять, как именно работают химические компасы, и определить молекулярную природу "полюсов"», — сказал профессор Коэн.
Исследование также проливает свет на эволюцию форм. В вычислительной модели небольшие изменения в генах, влияющих на правила роста, порождают разнообразие форм. Форма цветка львиного зева с точно подогнанными верхними и нижними лепестками могла возникнуть в ходе эволюции благодаря подобному «генетическому экспериментированию». Такое же эволюционное «конструирование» может лежать в основе согласованных изменений, необходимых для развития многих других структур, например, совмещённых верхней и нижней челюстей позвоночных.