Растения в стрессе: как рожь перетасовывает свои гены

Исследователи получили новые данные о генетических основах размножения ржи. Они показали, как растения рекомбинируют свои гены и в какой степени этот процесс зависит от факторов окружающей среды, таких как дефицит питательных веществ.

Результаты опубликованы в журнале New Phytologist.

Учёные из Института генетики растений и исследований культурных растений им. Лейбница (IPK) и Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге изучили генетическую основу и экологическую пластичность мейотической рекомбинации в большой популяции ржи. Они использовали более 500 растений ржи, часть из которых выращивалась в нормальных условиях, а часть — при дефиците питательных веществ.

Материал был получен из Федеральной экс-ситу генофонда IPK и коммерчески доступных популяционных сортов. Все растения культивировались на территории эксперимента «Вечное возделывание ржи» в Университете Мартина Лютера в Галле-Виттенберге.

Этот эксперимент, основанный в 1878 году Юлиусом Кюном, продолжается до сих пор. В длительной серии опытов сравниваются различные системы восполнения питательных веществ и гумуса: от навоза и полного минерального удобрения до участков без удобрений.

«Эта территория была особенно хорошо подходит для исследования, потому что дефицит питательных веществ накапливался в течение очень долгого времени, что делало его очень стабильным», — пояснил д-р Стивен Драйссиг, руководитель независимой исследовательской группы генетики размножения растений.

Исследователи собрали пыльцу и секвенировали клеточные ядра более 3000 спермиев от 584 особей. Их целью было определить количество событий кроссинговера между родительскими хромосомами и выявить их позиции. Впервые они смогли изучить этот процесс непосредственно в пыльце, то есть там, где он фактически происходит, и в больших масштабах.

«Мы смогли показать, что гены растений перемешиваются значительно меньше при дефиците питательных веществ, чем при их адекватном поступлении», — говорит первый автор исследования Кристина Веш. «Можно представить это как игру в карты: если карты тасуются небрежно, создаётся меньше новых комбинаций».

Однако это не всё. Исследовательская группа также обнаружила различия между типами растений. В то время как современный сорт оставался относительно стабильным в ходе исследования, старые сорта и дикие формы были восприимчивы к стрессу, объясняет Веш: «Это показывает, что генетическое разнообразие играет важную роль в том, как растения справляются с изменениями окружающей среды».

Команда также исследовала генетическую основу рекомбинации.

«В нашем исследовании мы продемонстрировали, что частота рекомбинации контролируется не одним главным переключателем, а многочисленными небольшими генетическими областями, действующими согласованно», — объясняет д-р Драйссиг.

Теперь известно более 40 аллелей и два гена-кандидата. «Теперь мы знаем области на хромосоме, где расположены эти многочисленные генетические переключатели, но часто мы ещё не знаем все решающие гены», — добавляет он.

«Тем не менее, наше текущее исследование вносит важный вклад в понимание генетической архитектуры и экологической пластичности мейотической рекомбинации», — говорит д-р Драйссиг. «В отличие от предыдущих исследований, которые изучали лишь отдельных особей или несколько генотипов, мы проанализировали генетические эффекты в большой, генетически разнообразной популяции».

Исследователь из IPK считает, что идентификация генов, контролирующих рекомбинацию в условиях стресса, может стать ценным инструментом селекции, и заключает: «Целевой контроль рекомбинации в условиях стресса поможет ускорить разработку новых, улучшенных сельскохозяйственных культур, более устойчивых к неблагоприятным условиям окружающей среды».