Как травы вроде пшеницы научились расти в холоде

Крупномасштабный анализ родственных связей в крупнейшем подсемействе злаков (Pooideae), включающем пшеницу и ячмень, выявил события дупликации генов, которые способствовали адаптации растений к более низким температурам. Эти адаптации позволили злакам процветать в умеренном климате и были использованы человеком для расширения ареала и сезона выращивания важных сельскохозяйственных культур. Исследование, проведённое учёными из Университета Пенсильвании, опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution.

Исследование эволюции Pooideae

Исследователи сравнили транскриптомы — последовательности ДНК всех экспрессируемых генов — 157 видов Pooideae, охватив почти все основные подразделения внутри подсемейства.

«Эта группа злаков начала расширяться около 50 миллионов лет назад, когда Земля находилась в периоде похолодания», — пояснил руководитель исследования Хонг Ма. «Все основные подразделения внутри подсемейства — трибы — сформировались в первой части этого периода. Позже произошло ещё одно крупное расширение, приведшее к диверсификации на уровне видов».

Генетические инновации через дупликацию

Адаптация к холоду, включая изменения в форме цветков, холодозависимое цветение и молекулярные механизмы, снижающие замерзание клеток, основана на генетических инновациях. Ключевой их источник — дупликация генов.

Исследование позволило отследить адаптивные изменения в контексте геологических и климатических сдвигов и выявить дупликации генов, которые, вероятно, поддерживали эту адаптацию.

Примеры ключевых генов

• Гены CBF: играют роль в устойчивости растений к замерзанию. Ранние представители Pooideae, вероятно, имели три копии этих генов. У современного ячменя их 20, а у пшеницы — 37.
• Гены AP1/FUL: участвуют в яровизации — способности растений справляться с сезонными изменениями и долгими холодными зимами. В подсемействе Pooideae они также подверглись множественным дупликациям.

«Мы можем определить, когда эти события дупликации произошли в семейном древе Pooideae, и связать их с изменениями окружающей среды, чтобы лучше понять процесс адаптации к холоду», — отметил Хонг Ма. — «Понимание того, как растения адаптируются к таким изменениям, сегодня может быть как никогда важным».