Как растения избегают самоопыления: эволюция систем распознавания
Самоопыление приводит к инбридингу и вредно для потомства. Чтобы предотвратить это, у многих растений (в 40% видов) эволюционировали системы самонесовместимости. Они позволяют растению скрещиваться только с генетически отличной особью. До сих пор было неясно, как возникает огромное разнообразие типов скрещивания в этих системах. Исследователи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) сделали шаг к разгадке этого механизма. Результаты опубликованы в журнале Genetics.
Механизм «токсин-антидот»
У таких растений, как львиный зев и петуния, работает система не-своего распознавания:
- Рыльце пестика (женская часть) производит токсин — S-РНКазу (SRNase).
- Пыльца (мужская часть) имеет набор F-бокс генов, которые производят «антидоты» против всех токсинов, кроме токсина, производимого собственным растением.
- Таким образом, пыльца может оплодотворять только чужое рыльце, но не своё собственное. Это предотвращает самоопыление.
Эволюционная загадка
В системе не-своего распознавания мужские и женские гены работают в паре, образуя тип скрещивания. Главный вопрос эволюции: как возникает новый тип, если для этого нужны скоординированные мутации в обеих частях системы? Например, если сначала мутирует женская часть и создаёт новый токсин, против которого у пыльцы нет антидота, оплодотворение становится невозможным.
Теоретическое моделирование
Междисциплинарная команда (эволюционная генетика, теория игр, прикладная математика) с помощью теоретического анализа и симуляций исследовала возможные пути эволюции новых типов скрещивания.
Ключевые выводы:
- Новые типы могут эволюционировать разными путями: иногда через промежуточную стадию возможности самоопыления, иногда минуя её.
- Новые типы возникали только при высокой стоимости самоопыления (сильном инбридинге).
- «Неполнота» — наличие у пыльцы неполного набора F-бокс генов (антидотов) — оказалась важна для эволюции новых типов. «Полные» типы (со всеми антидотами) сохранялись дольше, так как имели больше партнёров для скрещивания.
- Новые типы легче эволюционировали при меньшем количестве типов в популяции.
- На эволюцию системы влияют демография популяции: её размер и скорость мутаций.
Хотя кажется, что обладание полным набором F-бокс генов — лучшая стратегия, система сложна и может меняться различными путями. Интересно, что в симуляциях генетическое разнообразие было меньше, чем наблюдаемое в природе. Как отмечает исследовательница Мелинда Пикап, загадка высокого природного разнообразия всё ещё существует.