Новый вид растений проливает свет на эволюцию
Исследование Университета Флориды показывает, что при скрещивании двух цветковых растений, приводящем к появлению нового гибрида, гены нового вида «сбрасываются», что позволяет получить большую генетическую вариативность.
Исследование, которое будет опубликовано 17 марта в Current Biology, может привести к лучшему пониманию того, как выращивать более стабильные и высокоурожайные сельскохозяйственные культуры.
«Мы застали эволюцию на месте преступления», — сказал соавтор исследования Дуг Солтис. — «Новые и разнообразные паттерны экспрессии генов могут позволить новому виду быстро адаптироваться в новых условиях».
Исследование показывает, что у нового вида растений в самых ранних поколениях был ослаблен контроль над экспрессией генов. Однако сегодня, после 80 лет эволюции, контроль восстановился, что позволяет производить разные паттерны экспрессии генов у разных растений. Новый вид был воссоздан в теплицах UF, а также изучен в естественной среде обитания.
Исследователи проанализировали Tragopogon miscellus, вид семейства астровых, который естественным образом возник в результате гибридизации на северо-западе США около 80 лет назад. Новый вид образовался, когда два вида, завезённые из Европы, скрестились и дали гибридное потомство. Эти виды скрещивались и раньше в Европе, но гибриды никогда не были успешными. Однако в Америке произошло нечто новое — количество хромосом у гибрида спонтанно удвоилось, и он сразу стал крупнее своих родителей и быстро распространился.
«Никто не распространял это на природные популяции и на скорость, с которой это может происходить, и это довольно удивительно», — сказал Джонатан Вендель из Университета штата Айова. — «Этот вид — прекрасная модель для этого».
Гибридизация с удвоением хромосом — это заметный способ видообразования, и это исследование помогает лучше понять, как возникли разные группы растений.
«Понимание влияния этого процесса на структуру генома может помочь понять, как лучше всего выводить культуры для высоких и стабильных урожаев», — сказал соавтор исследования Пэт Шнабл.
До открытия ослабленной экспрессии генов команда ожидала, что искусственные гибриды будут демонстрировать комбинацию генов родителей, сказала соавтор Пэм Солтис.
«То, что мы обнаружили, стало сюрпризом», — сказал ведущий автор Ричард Баггс. — «Как будто гибридизация и удвоение хромосом нажали кнопку сброса экспрессии генов, включив их все — это могло позволить последующим поколениям экспериментировать, выключая разные гены».
Экспрессия генов гибридного растения во всех тканях и во все времена позволила естественному отбору формировать то, что появится поколениями позже. При такой форме гибридизации есть возможность уравнять родительские паттерны, как будто у гибрида есть свежий шанс проявлять широкий спектр генетических экспрессий с течением времени.
Два родительских вида, Tragopogon dubius и Tragopogon pratensis, были завезены в США в 1920-х годах. Исследователи начали создавать искусственные гибриды в 2004 году, и растениям требуется около года, чтобы вырасти из семени до состояния, когда они могут давать семена.
«Tragopogon miscellus уникален, потому что мы действительно знаем, когда он возник», — сказала Пэм Солтис. — «Коллекции музеев говорят нам, когда были завезены родительские виды, что позволяет нам определить возраст гибридного вида».
Исследователи изучили 144 дублированные пары генов у 40-поколенческого Tragopogon miscellus. Поскольку цветок растения цветёт всего несколько часов утром, его часто называют «Джон-ложись-в-полдень». Он похож на ромашку, но имеет пурпурный или жёлтый цвет.
«Солтисы показывают на генетическом уровне, как этот действительно важный процесс удвоения генома генерирует новое биологическое разнообразие», — сказал Вендель. — «Это приводит к новым вопросам и разработке новых экспериментов, которые могут помочь нам понять экологические и эволюционные последствия наблюдаемых генетических изменений».