Новое родословное дерево подсолнечника показывает множественное происхождение симметрии цветка

Анализ родословного дерева семейства сложноцветных (астровых) показал, что симметрия цветка независимо эволюционировала несколько раз — процесс, называемый конвергентной эволюцией. Исследовательская группа под руководством биолога из Университета Пенсильвании уточнила более мелкие ветви семейного дерева, проливая свет на эволюцию семейства, которое включает астры, маргаритки и сельскохозяйственные культуры, такие как салат и артишок.

Исследование, результаты которого могут помочь выявить полезные признаки для селекции растений с более желательными характеристиками, опубликовано в журнале Plant Communication.

«Конвергентная эволюция описывает независимое развитие того, что кажется одним и тем же признаком у разных видов, например, крылья у птиц и летучих мышей. Это может затруднить определение степени родства видов по их признакам, поэтому детальное генеалогическое древо, основанное на последовательности ДНК, имеет решающее значение для понимания того, как и когда эти признаки развивались», — пояснил руководитель исследования Хонг Ма.

Соцветие-корзинка подсолнечника, например, на самом деле состоит из множества мелких цветков. Хотя само соцветие, как правило, радиально-симметрично, отдельные цветки могут иметь разную симметрию. Согласно новому исследованию, двусторонняя симметрия (где есть только одна линия, делящая цветок на две равные половины) независимо возникала и утрачивалась несколько раз в ходе эволюции сложноцветных. Исследователи обнаружили, что эта конвергентная эволюция, вероятно, связана с изменениями в количестве копий и паттернах экспрессии гена-регулятора цветения CYC2.

Метод: увеличение выборки с помощью skim-секвенирования

Для построения более точного дерева команда использовала:

• Транскриптомы (последовательности всех экспрессируемых генов).
• Низкопокрытные (low-coverage) сиквенсы геномов, полученные методом skim-секвенирования. Они относительно недороги и могут быть получены даже из высушенных образцов, что позволило резко увеличить количество видов в анализе.

Всего в анализ вошли данные по 706 видам из 16 подсемейств, 41 трибы и 144 групп уровня подтрибы.

«Предыдущие версии дерева установили отношения между большинством подсемейств и многими трибами — основными ветвями. Увеличив выборку, мы смогли разрешить более мелкие ветви и побеги на уровне подтриб и родов. Это дерево более высокого разрешения позволило нам реконструировать, где и когда развивались такие признаки, как симметрия цветка, показав, что двусторонняя симметрия должна была независимо развиться много раз», — отметил Хонг Ма.

Молекулярная основа симметрии

Изучая эволюцию генов развития цветка, команда обнаружила, что ген CYC2, присутствующий в нескольких копиях в геномах, был активен у видов с двусторонней симметрией. Эксперименты по количественной оценке экспрессии CYC2 у видов с разной симметрией подтвердили эту связь.

«Наш анализ показал четкую взаимосвязь между экспрессией CYC2 и симметрией цветка, что позволяет предположить, что изменения в том, как эти гены используются у различных видов сложноцветных, вероятно, вовлечены в наблюдаемую конвергентную эволюцию», — заключил Ма.

Семейство сложноцветных — одно из двух крупнейших семейств цветковых растений, насчитывающее более 28 000 видов. Понимание их родственных связей позволяет определить, как и когда развивались их признаки, и может быть использовано для идентификации полезных черт, которые можно ввести в культурные виды от их диких родственников.