Небольшая генетическая мутация освободила зёрна кукурузы в процессе одомашнивания

Если бы не одна генетическая мутация, каждое зерно на сочном початке кукурузы было бы заключено в несъедобную оболочку, твёрдую как скорлупа грецкого ореха. Эта мутация заменяет одну аминокислоту на другую в определённой позиции белка, регулирующего формирование этих оболочек у дикого предка современной кукурузы. Таковы результаты исследования, опубликованного в июльском номере 2015 года журнала Genetics.

«Люди полностью изменили форму предка кукурузы, фактически вывернув початок наизнанку. Наши результаты показывают, что небольшое генетическое изменение оказало большое влияние на это замечательное преобразование», — говорит руководитель исследования Джон Доубли из Университета Висконсин-Мэдисон.

Кукуруза была одомашнена в Мексике около 9000 лет назад из дикой травы теосинте. Семена теосинте защищены твёрдой оболочкой, но древние селекционеры вывели разновидности с «голыми зёрнами». У этих растений структуры, формирующие семенную оболочку, превращаются в стержень початка, оставляя семя открытым.

Все эти изменения произошли относительно быстро, в течение максимум нескольких тысяч лет. Предыдущие исследования показали, что многие драматические различия между кукурузой и теосинте основаны на генетических изменениях всего в шести генах.

Один из этих генов, tga1, контролирует формирование семенной оболочки. Белок TGA1, кодируемый этим геном, действует как «главный регулятор» набора других генов, участвующих в этом сложном процессе развития.

Чтобы выяснить, в чём именно разница между двумя версиями гена tga1, команда сравнила последовательность ДНК tga1 у 16 различных сортов кукурузы и 20 разновидностей теосинте. Они обнаружили только одно изменение, присутствующее во всех образцах кукурузы, но ни в одном образце теосинте: в одной конкретной позиции последовательности tga1 версия кукурузы несла основание ДНК «C» вместо «G», найденного у теосинте. Это различие в одном нуклеотиде приводит к замене одной аминокислоты в белке TGA1 с лизина у теосинте на аспарагин у кукурузы.

Исследователи обнаружили, что кукурузная версия белка имеет большую тенденцию связываться с собой в пары молекул, называемые димерами. Генетическое различие также, по-видимому, превращает TGA1 в «репрессор» контролируемых им генов, снижая их экспрессию.

Согласуясь с этой идеей, исследователи обнаружили, что снижение экспрессии самого гена tga1 у кукурузы — что должно ослабить репрессию «оркестровых» генов — увеличивало остатки семенной оболочки у кукурузы. Уровни кукурузной версии tga1 контролируют размер структур кукурузы, которые в норме формируют семенную оболочку у теосинте.

Эти результаты показывают, как отбор древними селекционерами вызвал глубокие структурные изменения в организме посредством относительно небольших генетических изменений, позволив новым признакам быстро эволюционировать.