Двухэтапный молекулярный процесс перестроил транспорт питательных веществ у резуховидки Таля
Новое исследование растений, колонизировавших подножие активного стратовулкана, показывает, что два простых молекулярных шага перестроили транспорт питательных веществ, позволив адаптацию.
Международная команда под руководством Анжелы Хэнкок из Института селекции растений Макса Планка в Кёльне (Германия) изучила популяцию дикой резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), колонизировавшую подножие активного стратовулкана. Они обнаружили, что двухэтапный молекулярный процесс перестроил транспорт питательных веществ в этой популяции. Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, раскрывают исключительно ясный пример адаптивного пути в дикой популяции.
Адаптация к новой почвенной среде
Исследователи сосредоточились на популяции резуховидки с острова Фого, растущей у подножия активного стратовулкана Пику-ду-Фого. Химический анализ почв Фого показал, что они крайне бедны марганцем — элементом, crucial для производства энергии и роста растений. Листья растений с Фого, выращенных на стандартной почве, содержали высокие уровни марганца, что указывало на эволюцию механизма для увеличения его поглощения.
Два эволюционных шага к новой адаптивной вершине
Учёные использовали комбинацию генетического картирования и эволюционного анализа, чтобы обнаружить молекулярные шаги адаптации.
Первый шаг: Мутация нарушила работу ключевого гена транспорта железа (IRT1), устранив его функцию. Эта нарушенная версия гена быстро закрепилась во всей популяции Фого. Эксперименты с технологией редактирования генов (CRISPR-Cas9) показали, что нарушение IRT1 увеличивает накопление марганца в листьях, но приводит к сильному снижению уровня железа.
Второй шаг: Ген транспорта металлов NRAMP1 был дублирован в нескольких независимых событиях. Эти дупликации быстро распространились, и теперь почти все растения на Фого несут множественные копии NRAMP1 в своих геномах. Эти дупликации усиливают функцию гена NRAMP1, увеличивая транспорт железа и компенсируя его дефицит, вызванный нарушением работы IRT1.
"Быстрый рост частоты этих дупликаций вместе с их beneficial эффектом на гомеостаз питательных веществ указывает на их важность для адаптации", — пояснила Хэнкок.
Значение для улучшения сельскохозяйственных культур
Это открытие может дать подсказки для подходов к улучшению культур для лучшего соответствия местным почвенным условиям. Нарушение гена и амплификация гена, как в случае с IRT1 и NRAMP1 на Фого, являются одними из самых простых генетических изменений для инженерии, что делает их особенно перспективными, поскольку их можно relatively легко перенести на другие виды.