Сложная система предотвращает самоопыление у петуний

Растения используют генетические механизмы для предотвращения близкородственного скрещивания, распознавая собственную и чужую пыльцу. Исследователи из Института эволюционной биологии и наук об окружающей среде Университета Цюриха обнаружили, что группа из 18 мужских белков распознает между собой 40 женских белков — в отличие от изученных ранее систем «один к одному». Механизм самораспознавания у петунии показывает сходство с иммунной защитой у позвоночных.

Способность многих видов растений распознавать и отвергать собственную пыльцу позволяет им избегать инбридинга, который может привести к генетическим дефектам у потомства. Растения распознают свою пыльцу с помощью молекулярного механизма, известного как «самонесовместимость» (self-incompatibility, SI). Ранее было установлено, что растения и животные эволюционировали системы самораспознавания «один к одному», где один мужской белок способен распознать один женский белок, что может запустить реакцию отторжения пыльцы.

Команда ученых-растениеводов из Университета Цюриха под руководством профессора Кентаро Шимизу ранее изучала систему SI «один к одному» на модельном растении Arabidopsis. Теперь исследователи из Цюриха и их коллеги из Института Нара в Японии описали новую систему SI у петуний, которая отличается от ранее изученных систем самоотторжения «один к одному» у других растений. Используя современные методы секвенирования, доктор Тимоти Паапе из UZH и доктор Кен-ичи Кубо с коллегами из Японии впервые продемонстрировали, что система петунии является высокосложной. Петунии, относящиеся к семейству Solanaceae (пасленовые), используют не систему распознавания с одним мужским и одним женским белком, а вовлекают в процесс самораспознавания SI множество белков. В общей сложности 18 мужских белков распознают 40 женских белков, которые являются токсичными для собственной пыльцы растения и таким образом предотвращают оплодотворение. «Эта система самонесовместимости — самая крупная из обнаруженных у любого вида растений», — говорит Паапе. Их крупномасштабное исследование позволяет ответить на многие давние вопросы об эволюционной генетике SI на основе РНКазы, поскольку соответствующее генетическое разнообразие как мужских, так и женских генов сильно различается. Отчет был представлен на обложке первого выпуска журнала Nature Plants.

Сложное взаимодействие распознавания

Механизм самонесовместимости показывает сходство с распознаванием болезней в иммунной системе животных, где собственные белки организма идентифицируют и обезвреживают вредные патогены. В процессе самораспознавания участвуют белки, кодируемые генами самонесовместимости (S-генами). Как пишут ученые-растениеводы из UZH в своей публикации в Nature Plants, точное взаимодействие между мужскими белками, называемыми SLF (S-locus F-box proteins), и женскими белками, известными как S-РНКазы (S-ribonucleases), у петуний является высокосложным. У петуний часто один мужской белок распознает и обезвреживает несколько женских белков, в то время как в других случаях один женский белок распознается лишь несколькими мужскими.

«Сложные защитные и генетические механизмы распознавания трудно изучать у животных, поскольку сложно идентифицировать взаимодействующие гены как у хозяина, так и у патогена. Система SI на основе S-РНКазы у Petunia показывает эволюционные паттерны, аналогичные тем, которые мы ожидаем для систем иммунной защиты у позвоночных, включая человека», — говорит Паапе. Идентификация соответствующих мужских и женских SI-генов позволяет изучать, как сложная система распознавания эволюционирует и поддерживается на генетическом уровне.

Большой плюс для селекции

Понимание генетики SI также важно для селекции растений. «Селекционерам может быть полезно получать урожай от жизнеспособных гибридов, в то же время существует риск, что плод не будет произведен, если оплодотворение предотвращено», — поясняет профессор Шимизу. Исследователи также сообщили о сходном количестве типов мужских SLF-белков у картофеля и томатов — важных сельскохозяйственных культур, также относящихся к семейству пасленовых. Подобная система SI на основе S-РНКазы присутствует и у важных плодовых деревьев, не относящихся к пасленовым, таких как яблони и груши. Идентификация соответствующих генов, напрямую влияющих на урожайность культур, может предоставить полезные инструменты для селекционеров растений.

Широкая поддержка исследования

Исследование проводилось в рамках Приоритетной исследовательской программы UZH (URPP) «Эволюция в действии: от геномов к экосистемам» и было поддержано Швейцарским национальным научным фондом и программой Plant Fellow. Группа под руководством профессора Кентаро Шимизу выполнила комплексное секвенирование ДНК пыльцы петунии (Рие Шимизу-Инацуги), биоинформатический анализ в Центре функциональной геномики Цюриха (Масаоми Хатакеяма) и эволюционный анализ (Тимоти Паапе). Команда из Научно-технологического института Нара, Япония, отвечала за экспериментальную работу и анализ последовательностей.