Мутанты дикого табака более уязвимы для насекомых, но быстрее растут

Растения защищаются от травоядных. При повреждении листа насекомым и попадании его слюны в растении запускается сигнальный каскад, начинающийся с быстрого повышения уровня гормона жасмоновой кислоты и её активного изолейцинового конъюгата. Этот гормон регулирует защитные реакции против травоядных и ответы на стресс.

Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене наблюдали у дикого табака Nicotiana attenuata явления, противоречащие классическому предсказанию об исчезновении невыгодных мутантов.

20 лет назад в полевых испытаниях в пустыне Грейт-Бейсин (Юта, США) генетически модифицированные растения с ослабленной защитой привлекали цикадок рода Empoasca, которых не было на обычных растениях дикого типа. При этом на некоторых растениях в природных популяциях также наблюдались повреждения от цикадок — их естественная защита была нарушена. Однако мутанты с ослабленной защитой, подвергавшиеся слабому давлению травоядных, росли значительно быстрее растений с интактной защитой.

В годы высокого давления травоядных мутанты так сильно повреждались, что не выживали и не размножались. «Мы предположили, что в природных популяциях Nicotiana attenuata могут присутствовать естественные мутанты в пути защитной сигнализации, и они сохраняются благодаря компромиссу между давлением отбора на рост и защиту», — пояснил руководитель исследования Ян Болдуин.

Создание MAGIC-популяции и генома

Для проверки гипотезы команда создала MAGIC-популяцию (multi-parent advanced generation inter-cross), которая захватывает большую часть генетического разнообразия вида в скрещиваемой популяции с гомогенизированным генетическим фоном. Для этого:

• В течение трёх десятилетий отобрали 26 различных родительских линий из сотен природных образцов семян.
• Десять лет скрещивали их друг с другом по структурированной схеме.

Также исследователи создали высококачественный согласованный референсный геном. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Генетическая основа уязвимости

Используя этот набор данных, учёные точно картировали генетическую основу повышенной восприимчивости к травоядным и вариаций в уровнях конъюгата жасмоновой кислоты, локализовав причинную мутацию в геноме.

«У растений Nicotiana attenuata вариация в гене JAR влияет на количество накапливаемого конъюгата жасмоновой кислоты. Мутация в этом гене приводит к более низким уровням, чем у нормальных растений. Мутанты расставляют приоритеты в пользу роста и размножения, а не защиты, что делает их более уязвимыми для насекомых, но потенциально позволяет быстрее расти и давать больше потомства», — говорит первый автор исследования Ришав Рэй.

Мутация в этом единственном гене, ответственном за защитную сигнализацию, сохранялась в популяции не менее 10 лет. Прочная генетическая сеть может буферировать дефицит защиты, позволяя мутантам выживать в природе.

Значение для биоразнообразия

В данном случае основная мутация, вероятно, является частью устойчивой генетической сети и ведёт к накоплению других мутаций с большим эффектом. Это увеличивает генетическое разнообразие в природных популяциях, что важно для их долгосрочного выживания в быстро меняющихся условиях.

«Чтобы найти лучшие способы защиты биоразнообразия, необходимо понимать, как естественные процессы поддерживали генетическое разнообразие», — подчёркивает Ян Болдуин.

Успех исследования стал возможен благодаря масштабному сбору образцов популяций 30 лет назад в пустыне Грейт-Бейсин. Работа показывает ценность долгосрочного хранения таких коллекций и важность финансирования подобных проектов.