Мужские особи сорняков могут стать ключом к их уничтожению

Ученые приближаются к обнаружению генов, определяющих мужской пол у щирицы водной и щирицы Палмера — двух наиболее проблемных сельскохозяйственных сорняков в США.

Обнаружение этих генов может открыть новые методы «генетического контроля» над сорняками, которые во многих местах уже не реагируют на гербициды.

«Если бы мы знали, какие гены контролируют мужской пол, и могли бы заставить эти гены распространяться в популяции, то через несколько поколений каждое растение в поле стало бы мужским, и, теоретически, популяция рухнула бы», — говорит Пэт Транел, профессор и заместитель заведующего кафедрой растениеводства в Университете Иллинойса, ведущий автор исследования в New Phytologist.

Ранее Транел и его коллеги идентифицировали молекулярные маркеры, связанные с мужской геномной областью. После секвенирования мужских геномов обоих видов исследователи смогли использовать эти маркеры, чтобы точно определить мужскую специфическую область. Теперь они находятся в пределах 120–150 генов от своей цели.

«Мы уверены, что большинство из этих 120 или около того генов, вероятно, ничего не делают. Это просто "мусор", который накопился в этой области генома. Если бы мне пришлось гадать, я бы сказал, что, возможно, 10 из них действительно делают что-то значимое».

Определение генов, связанных с полом у этих сорняков, может иметь практическую ценность для контроля, но исследование также проливает свет на феномен двудомности (раздельнополости) в целом. Подавляющее большинство животных двудомны, но у растений это редкость. Более 90% цветковых растений имеют оба половых органа на одной особи, часто в одном цветке.

Однако щирица водная и щирица Палмера — двудомные.

Двудомность означает, что самоопыление растения невозможно; женские гаметы должны быть оплодотворены мужской пыльцой с другого растения. Это хорошо для обеспечения генетического разнообразия в популяции. И, вероятно, именно это сделало щирицу водную и щирицу Палмера такими успешными в уклонении от пагубного воздействия множества гербицидов.

«На сегодняшний день щирица водная и щирица Палмера развили устойчивость к гербицидам, охватывающим семь и восемь механизмов действия соответственно. Двудомное размножение приводит к тому, что все эти признаки устойчивости смешиваются и комбинируются внутри особей. Это смешивание позволило популяциям обоих видов объединить множественную устойчивость к гербицидам, оставив производителям мало эффективных вариантов».

Понимание редкого феномена двудомности у растений помогает ученым понять, как признаки наследуются от каждого родителя, и как этот феномен эволюционирует.

В отличие от животных, у которых, как считается, двудомность эволюционировала лишь однажды, ученые полагают, что у растений она возникала много раз. И, согласно исследованию Транела, похоже, она эволюционировала независимо у двух очень близкородственных видов — щирицы водной и щирицы Палмера.

«Я не готов утверждать, что мы абсолютно точно знаем, что они эволюционировали отдельно, но вся найденная нами информация поддерживает эту идею. Только два из 120–150 генов были схожими между двумя видами».

Один из этих общих генов, Флориген, помогает растениям реагировать на длину дня, инициируя цветение. Транел пока не знает, определяет ли он пол цветков, но его заинтриговало, что этот ген обнаружился в мужской специфической Y-области у обоих видов.

«Мы не знаем наверняка, но, возможно, он связан с более ранним цветением мужских особей по сравнению с женскими. Это могло бы давать преимущество мужским особям, потому что тогда они бы выделяли пыльцу, когда первые женские особи становятся восприимчивыми. Так что если на самом деле щирица Палмера и щирица водная действительно развили двудомность независимо, но обе приобрели этот ген флорогена для преимущества в приспособленности, это было бы крутым примером параллельной эволюции».

Транел надеется еще больше сузить мужскую специфическую Y-область у обоих видов, чтобы изолировать гены, определяющие мужской пол. Нет гарантии, что после идентификации этих генов будет разработано решение для генетического контроля — для этого Транелу, вероятно, потребуется привлечь партнеров из индустрии, — но появление такого инструмента уже не так далеко, как раньше.