Новое молекулярное древо злаков

Эволюционные взаимоотношения среди злаков — включая важные сельскохозяйственные культуры, такие как пшеница, рис, кукуруза и сахарный тростник, — были уточнены в новом молекулярном исследовании семейного древа злаков. Чёткая картина этих взаимоотношений помогает понять, как эволюционируют важные признаки культур, например, размер семян или устойчивость к болезням, и в конечном итоге может помочь в управлении этими признаками для повышения урожайности.

Масштабное исследование, включающее выборку из более чем 350 видов злаков, также предоставляет доказательства, что тип фотосинтеза — известный как C4-фотосинтез, — позволяющий растениям эффективно использовать солнечную энергию в жарком, сухом климате, эволюционировал независимо несколько раз в разных линиях злаков.

Статья, описывающая исследование международной команды учёных под руководством специалистов из Университета Пенсильвании, опубликована в журнале Molecular Plant.

«Злаки — пятое по величине семейство растений, включающее около 11 000 видов, — сказал руководитель исследования Хун Ма. — Они варьируются от газонных трав до пищевых культур, кормящих людей и скот, и до крупных древесных видов, таких как бамбук. Мы собрали образцы широкого спектра злаков со всего мира, чтобы построить наиболее полное на сегодняшний день семейное древо, используя ядерные гены».

Исследовательская группа создала транскриптомы — последовательности ДНК всех генов, экспрессируемых организмом, — для 342 видов злаков и полногеномные последовательности для ещё 7 видов. Вместе с существующими наборами данных по транскриптомам и геномам злаков команда сравнила последовательности генов в общей сложности для 357 видов, включая представителей всех 12 подсемейств и 231 рода злаков.

«Чтобы построить древо, мы сравнили последовательности ДНК около 1200 генов из ядерных геномов в нашей выборке, — пояснил Хун Ма. — Использование более крупного ядерного генома, ставшее возможным благодаря современным технологиям, позволило нам сделать более тонкие различия между видами и разрешить отношения, которые ранее было трудно интерпретировать».

Из 12 подсемейств команда подтвердила, что 11 являются монофилетическими — то есть все их члены имели одного общего предка в прошлом. Для 12-го подсемейства новое исследование предполагает, что его, возможно, лучше разделить на два отдельных подсемейства. На уровне ниже подсемейства некоторые трибы и даже роды также оказались не монофилетическими. Исследование оценивает общий возраст семейства злаков примерно в 101 миллион лет с помощью метода молекулярных часов, который измеряет время, отслеживая количество изменений в последовательностях ДНК, и используя окаменелости для датировки конкретных точек в истории злаков.

Точное понимание взаимоотношений между видами важно для сравнительных и эволюционных исследований. Чтобы продемонстрировать это, команда изучила гены, участвующие в C4-фотосинтезе. Этот эволюционный механизм, вероятно, включающий изменения во многих десятках генов, позволяет таким растениям, как кукуруза или просо, эффективно осуществлять фотосинтез в жарких, сухих местообитаниях, экономя воду.

«Наше исследование показывает, что C4-фотосинтез эволюционировал из C3 независимо несколько раз в семействе злаков, — сказал Хун Ма. — Эволюционные пути, ведущие к C4-фотосинтезу, различаются в разных линиях, используя разные копии ключевого фермента или имея разные изменения в таком гене. Поэтому, если мы хотим понять C4-фотосинтез у конкретного вида, полезно знать, как он связан с другими видами, использующими C4».