От перекрестного к самоопылению: как растения развивают разные пути размножения

Некоторые цветковые растения способны к самоопылению, то есть могут оплодотворять себя без партнера. Биологическое преимущество самоопыления (англ. selfing) в том, что одна особь может самостоятельно заселить целые территории. Однако у самоопыления есть и явные негативные последствия — прежде всего, потеря генетической изменчивости и биологической приспособленности вида. Поэтому многие растения имеют механизмы, предотвращающие самоопыление, например, распознавание и отторжение собственной пыльцы. Биологи называют это самонесовместимостью.

Иногда самонесовместимость естественным образом утрачивается, и растения приобретают способность к самоопылению. Известные случаи включают некоторые виды крестоцветных. В этом семействе хорошо известны гены, ответственные за самонесовместимость. До сих пор исследователи предполагали, что утрата этой функции объясняется мутациями в этих «S-генах». В исследовании, опубликованном в Nature Communications, эволюционные экологи из Констанца представили доказательства другого механизма у резушки песчаной (Arabidopsis lyrata), связанного с так называемым геном-модификатором.

«Самоопылители имеют повышенный потенциал для образования самоподдерживающихся популяций за пределами естественного ареала в качестве инвазивных видов и могут выживать без насекомых-опылителей. Поэтому лучшее понимание механизмов, которые могут привести к превращению перекрестных опылителей в самоопылителей, имеет высокую экологическую значимость», — объясняет Марк Штифт, эволюционный эколог из Университета Констанца.

Что-то не сходилось

Роль гена-модификатора (гена, влияющего на экспрессию другого, пространственно удаленного гена) у резушки песчаной уже предполагалась, но данных для подтверждения не было. Исследователи провели масштабный эксперимент: они скрестили особей из самонесовместимых и самосовместимых популяций резушки во всех возможных комбинациях. Затем они определили систему размножения более чем у 1500 потомков и сопоставили эти данные с генетической информацией о вариантах S-генов (S-аллелях), которые эти потомки унаследовали.

Один из выводов: скрещивание перекрестных и самоопылителей может приводить к обеим формам системы размножения у потомства, причем решающую роль играют S-аллели от самонесовместимого партнера. Таким образом, S-ген также играет роль в утрате самонесовместимости у резушки. Однако исследователи не нашли доказательств, что эта функциональная роль объясняется мутацией, приводящей к потере функции.

Другими словами, гены самораспознавания были как-то вовлечены в нарушение самонесовместимости у самоопыляющейся резушки, но не тем же механизмом, что известен у других видов. «На самом деле наши эксперименты выявили потомков с идентичными генами самораспознавания, из которых одни были самонесовместимы, а другие — полностью самофертильны», — говорит Янь Ли, проводившая эксперименты по скрещиванию. Это убедительное доказательство ранее неподтвержденного альтернативного механизма с участием гена-модификатора.

«Теперь нам предстоит выяснить, уникален ли этот механизм для резушки песчаной или он также привел к переходу от перекрестного опыления к самоопылению у других видов растений», — добавляет Штифт.