Ранее неизвестный белок SCEP3 оказался необходим для смешивания хромосом растений в мейозе

Исследователи из Института Лейбница IPK обнаружили ранее неизвестный белок, который играет центральную роль в размножении растений. Белок SCEP3 позволяет растениям смешивать и точно распределять свои хромосомы — носители генетической информации — во время мейоза. Этот процесс критически важен для поддержания генетического разнообразия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Plants.

Мейоз — ключевой процесс для полового размножения. В результате образуются половые клетки с уменьшенным набором хромосом (пыльца и яйцеклетки у растений), которые при оплодотворении сливаются, образуя потомство с исходным числом хромосом. В начале мейоза происходит рекомбинация (взаимный обмен участками между гомологичными хромосомами родителей), что критически важно для генетического разнообразия.

Центральная структура во время мейоза — так называемый синаптонемный комплекс. Это своего рода «молния» из белков, которая удерживает гомологичные хромосомы вместе и позволяет обмениваться генетическим материалом. Эти обмены (кроссинговеры) важны, потому что они перемешивают гены и, таким образом, обеспечивают генетическое разнообразие потомства. Однако их количество и распределение вдоль хромосом ограничены, что сдерживает возможную генетическую изменчивость в селекции.

Ранее в модельном растении Arabidopsis thaliana были идентифицированы только три белка — ZYP1, SCEP1 и SCEP2 — как основные компоненты этого комплекса. О дополнительных белках, их ролях и функциях ничего не было известно. Вновь обнаруженный белок SCEP3 также принадлежит к этому комплексу — и расположен прямо в его центре.

Чтобы исследовать функцию SCEP3, учёные создали специфические мутантные растения Arabidopsis с помощью точной технологии редактирования генома CRISPR/Cas9. Используя микроскопию высокого разрешения, они смогли визуализировать точное положение SCEP3 внутри синаптонемного комплекса и отследить его взаимодействие с другими белками.

Кроме того, потомство этих мутантов показало увеличенное количество и случайное распределение событий рекомбинации. Также больше не наблюдалось различий в количестве кроссинговеров между мужскими и женскими половыми клетками — в норме у женских особей Arabidopsis thaliana число кроссинговеров ниже, чем у мужских.

«Мы обнаружили, что SCEP3 является ключевым компонентом синаптонемного комплекса. Он эволюционно консервативен у растений, и без SCEP3 комплекс не может сформироваться», — объясняет доктор Чао Фэн, первый автор исследования.

Однако вновь обнаруженный белок играет решающую роль не только в его формировании. «Наши результаты показывают, что SCEP3 также существенно влияет как на распределение, так и на количество кроссинговеров».

«Исследование расширяет наши знания о сложных механизмах мейоза и генетической рекомбинации, которые имеют решающее значение для эволюции и разнообразия жизни. Поскольку SCEP3 эволюционно консервативен, это указывает на схожие функции у других видов растений и даже других организмов», — объясняет доктор Стефан Хекманн, руководитель независимой рабочей группы «Мейоз» в IPK.

«Лучшее понимание того, как контролируется образование кроссинговеров, позволит селекционерам более целенаправленно выводить новые сорта с благоприятными признаками. В конечном итоге это может помочь адаптировать сельскохозяйственные культуры к изменению климата, повысить устойчивость к болезням и вредителям, а также увеличить урожайность».