Генетическая информация мигрирует от растения к растению
Ученых долгое время ставил в тупик тот факт, что ДНК, извлеченная из зеленых хлоропластов растений, иногда показывает наибольшее сходство, когда родственные виды растут в одной местности. Это явление, для которого был придуман термин «захват хлоропласта», пытались объяснить редким скрещиванием полово несовместимых видов.
Исследователи из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Потсдаме под руководством Ральфа Бока обнаружили, что передача целых хлоропластов или их геномов может происходить в зонах контакта между растениями без межвидового скрещивания. Новый геном хлоропласта может даже передаваться следующему поколению, давая растению новые признаки. Эти выводы важны для понимания эволюции и селекции новых сортов растений.
Горизонтальный перенос генов у растений
Горизонтальный перенос генов — передача генетического материала без полового размножения. Раньше считалось, что это явление ограничено прокариотами (например, бактериями, передающими устойчивость к антибиотикам). Однако оно также наблюдается в зоне контакта между разными тканями животных после трансплантации органов или, как показано здесь, между двумя срастающимися растениями.
В 2009 году Ральф Бок и Сандра Штегеманн обнаружили, что генетическая информация из хлоропластов может передаваться другому растению посредством горизонтального переноса генов, но тогда это было показано только для растений одного вида.
Эксперимент с несовместимыми видами табака
В новых экспериментах ученые привили два полово несовместимых диких вида табака — травянистый Nicotiana benthamiana и древовидный Nicotiana glauca — на культурный табак Nicotiana tabacum.
- Ядра диких видов были снабжены генами устойчивости к одному антибиотику и желтому флуоресцентному белку.
- Хлоропласты культурного табака несли гены устойчивости к другому антибиотику и зеленому флуоресцентному белку.
После срастания растений ткани из зоны прививки культивировали на среде с обоими антибиотиками. Выжить и дать ростки могли только те клетки, которые приобрели оба гена устойчивости — то есть клетки диких видов, получившие хлоропласты (или их геном) от культурного табака.
Результаты: полная замена генома
Из половины образцов выросли новые растения, в клетках которых под микроскопом наблюдалось характерное зеленое и желтое свечение.
«Результаты анализа ДНК были особенно интересными, — говорит Сандра Штегеманн, первый автор статьи. — Мы обнаружили полностью идентичную версию генома хлоропласта от N. tabacum у двух других видов».
В отличие от митохондрий, чей геном при межвидовом переносе часто представляет собой смесь ДНК донора и реципиента, новые хлоропласты полностью сохранили свою генетическую информацию и вытеснили старые. Более того, они унаследовались следующим поколением.
Механизм и значение открытия
Ученые пока не знают точного механизма миграции хлоропластов: происходит ли она через плазмодесмы (тоннели между клетками) или за счет локального разрушения клеточной стенки.
«Но решающий момент в том, что это происходит, — говорит Ральф Бок. — Это открытие предлагает новое объяснение важных эволюционных процессов и открывает новые возможности для селекционеров».
Геном хлоропласта вносит жизненно важный вклад в приспособленность растения и может обеспечивать решающие преимущества.