Генетическая «командная работа» может быть секретом устойчивости растений к климату

Успех растения может зависеть от того, насколько хорошо взаимодействуют три набора генетических инструкций в его клетках, как показало новое исследование. Анализ гибридов двух видов деревьев показал, что два набора генов, унаследованных от разных видов, могут плохо работать вместе, нарушая способность растения улавливать свет для фотосинтеза и поглощать ключевые питательные вещества. Однако, когда комбинация унаследованных генов лучше сочетается, такие растения могут быть лучше приспособлены к изменяющейся среде.

Взаимодействие геномов в гибридах

Исследователи сосредоточились на двух из трёх наборов генетических инструкций (геномов):

• Ядерный геном — находится в ядре клетки.
• Геном хлоропласта — находится в хлоропласте, структуре, необходимой для фотосинтеза.

Третий геном (в митохондриях) не анализировался, так как исследование было сосредоточено на фотосинтетической активности.

«Когда два разных вида гибридизируются, координация между компонентами генома может нарушиться», — пояснила ведущий автор исследования Мишель Завала-Паэс. Это явление называется «цитонуклеарным несоответствием».

Объектом исследования стали два близкородственных вида деревьев на северо-западе Тихого океана: чёрный тополь (Populus trichocarpa) и бальзамический тополь (Populus balsamifera).

Методы исследования и генетический анализ

Учёные собрали вегетативные черенки с 574 деревьев из естественной гибридной зоны между двумя видами, охватывающей территорию от Аляски до Вайоминга. Было идентифицировано шесть зон контакта, где виды естественно гибридизуются.

Черенки были выращены в контролируемых тепличных условиях. Исследователи провели полногеномное секвенирование ядерной и хлоропластной ДНК, а также высадили генетически идентичные гибридные деревья в полевых экспериментах («common gardens») в Вирджинии и Вермонте, чтобы оценить влияние генетических взаимодействий на здоровье растений в разных средах.

Ключевые результаты

1. Геном хлоропласта и взаимодействующие с ним ядерные гены не всегда оставались вместе в гибридных зонах.
2. Однако в местах с резкими градиентами среды (например, переход от влажного прибрежного климата к более холодному континентальному в Скалистых горах) локальные условия, по-видимому, отбирали гены, которые эволюционировали вместе. Среда может «выбирать» гены, которые хорошо работают в команде.
3. Когда происхождение хлоропласта не соответствовало ядерному происхождению, физиологическая производительность дерева менялась — иногда к лучшему, иногда к худшему — в зависимости от среды.
4. Деревья с несоответствием геномов в целом демонстрировали более низкую фотосинтетическую эффективность (хуже превращали солнечный свет в энергию). Этот эффект наблюдался в разных средах, но был усилен в более тёплом климате Вирджинии.

Значение для эволюции растений и селекции

Исследование показывает, что взаимодействие между ядерным и хлоропластным геномами влияет на функциональность гибридных растений, а экологический контекст может усиливать, ослаблять или даже обращать вспять эффекты этих генетических несоответствий.

«Понимание того, какие комбинации геномов работают лучше всего, может направлять селекционные программы для создания более устойчивых растений и помочь сохранить биоразнообразие в условиях быстрого изменения климата», — отметила старший автор исследования Джилл Гамильтон.