Рис эволюционировал для адаптации к наводнениям
Избыток воды может погубить растение. В Южной и Юго-Восточной Азии, где в сезон дождей случаются периодические наводнения, глубина воды может достигать нескольких метров на многие месяцы.
Сорта риса, известные как «глубоководный рис», выработали уникальную стратегию выживания. В обычных условиях он растёт на мелководье, но при сильных наводнениях увеличивает свою высоту в соответствии с подъёмом уровня воды, чтобы пережить длительные паводки.
Исследовательская группа под руководством Такеши Куроги (Университет Тохоку), Мотойуки Асикари (Университет Нагоя), Сьюзан Р. Маккауч (Корнеллский университет) и их коллег из Японии и США обнаружила в рисе ген, критически важный для выживания в условиях наводнения, а также выяснила его молекулярную функцию и эволюционную историю.
Ключевой ген и его функция
Исследователи определили, что ключевым геном, ответственным за реакцию глубоководного риса, является SD1 (SEMIDWARF1). Этот ген кодирует фермент биосинтеза гиббереллина — растительного гормона. Ген управляет реакцией глубоководного риса благодаря уникальному gain-of-function аллелю (аллелю с приобретённой функцией).
При погружении в воду в рисе накапливается этилен — газообразный растительный гормон. У глубоководного риса усиливается сигнальный каскад, в котором ген SD1 активируется на уровне транскрипции этилен-чувствительным транскрипционным фактором OsEIL1a.
Образующийся белок SD1 направляет усиленный синтез гиббереллинов, в основном одного из их видов — GA4, который стимулирует вертикальный рост растения.
Эволюция и отбор
Дальнейший анализ показал, что это условно функциональное изменение впервые возникло у дикого предка риса, а затем стало мишенью для отбора в процессе одомашнивания культивируемого риса, адаптированного к глубоководным условиям в Бангладеш.
Пластичность одного гена
Ген SD1 хорошо известен как «ген Зелёной революции» в рисе, где loss-of-function аллель (аллель с утраченной функцией) SD1 обеспечивает низкорослость растений. Это даёт устойчивость к полеганию и увеличивает индекс урожая, обеспечивая бо́льший выход зерна в интенсивных сельскохозяйственных системах.
В то же время транскрипционный gain-of-function аллель того же самого гена позволяет глубоководному рису адаптироваться к наводнениям через противоположный фенотипический ответ — увеличение высоты растения. Способность гена SD1 выполнять такие разные роли в культивируемом рисе подчёркивает врождённую пластичность реакции растения на окружающую среду.
«Экстремальные погодные явления, вызванные изменением климата, могут повлиять на производство продуктов питания во всём мире, — сказал Курога. — Фермерам потребуется диверсифицировать свои методы, и скрытая генетическая изменчивость, обнаруженная в генах дикого риса, может предложить адаптивные решения для выращивания устойчивых культур».