Кажущееся невозможным размножение шиповника основано на уловке с центромерами
Международная исследовательская группа совершила значительный прорыв в изучении размножения шиповника. Исследование, опубликованное в Nature, показывает, как различия в размере центромер — центральных участков связывания хромосом — играют решающую роль в необычном наследовании хромосом у этих растений.
В долгосрочной перспективе результаты могут открыть новые пути для создания более устойчивых сельскохозяйственных культур. Исследованием руководили д-р Андре Маркес из Института селекции растений Макса Планка в Кёльне, проф. д-р Кристиане Ритц из Музея естественной истории Зенкенберга в Гёрлице и д-р Алеш Коваржик из Института биофизики Чешской академии наук.
Секрет шиповника
Шиповник собачий (Rosa canina) — самый распространенный дикий вид роз в Центральной Европе. Его плоды, известные как «шиповник», используются по-разному — от фруктовых чаев до производства «щекоточного порошка».
«Растение не только красиво и полезно, но и развило особую форму размножения», — объясняет проф. д-р Кристиане Ритц.
«В то время как у большинства растений и животных по два набора хромосом, у шиповника их пять. Это усложняет их размножение. Нечетное число наборов хромосом часто приводит к бесплодию у многих растений, потому что хромосомы не могут равномерно спариваться и распределяться во время мейоза — образования яйцеклеток и сперматозоидов».
Однако в ходе эволюции шиповник выработал ingenious решение, которое все же позволяет растению размножаться половым путем. При так называемом Canina-мейозе или сбалансированной гетерогамии регулярно спариваются и передаются через яйцеклетки и пыльцу только два из пяти наборов хромосом растения. Остальные три набора остаются несцепленными (унивалентами) и передаются исключительно через яйцеклетку — без изменений.
«Таким образом, растение сочетает половое и клональное размножение», — объясняет д-р Андре Маркес.
«Хотя эта система размножения известна более 100 лет, о ее механизмах было мало что известно. Роль центромер — центральных областей хромосом, важных для распределения во время деления клетки, — также была неясна. В нашем исследовании мы изучили геномы пентаплоидных шиповников — растений с пятью полными наборами хромосом — с высоким разрешением вплоть до уровня отдельных наборов хромосом и их происхождения».
Сила центромер
Целью исследователей было выяснить, что позволяет шиповнику целенаправленно транспортировать свои несцепленные хромосомы в яйцеклетку — процесс, который до сих пор не был полностью понятен. Ученые нашли ответ в структуре центромер — участков ДНК, к которым во время деления клетки прикрепляются нити веретена. Нити веретена являются частью аппарата веретена, который перемещает хромосомы во время митоза и мейоза, обеспечивая равномерное распределение хромосом между дочерними клетками.
«Наш анализ трех различных видов пентаплоидного шиповника показал, что унивалентные хромосомы имеют поразительно крупные центромеры с множественными повторами специфичной для роз последовательности ДНК. Эти более крупные центромеры также в большей степени связывают белок CENH3, который играет ключевую роль в связывании веретена», — говорит д-р Алеш Коваржик.
Это означает, что размер центромеры может быть решающим фактором, обеспечивающим сохранение определенных хромосом во время асимметричных клеточных делений. «Регулируя размер и силу своих центромер, эти растения могут буквально влиять на то, какие хромосомы будут унаследованы», — добавляет Маркес.
«Одновременное сосуществование полового и клонального размножения в одном геноме — контролируемое различиями в структуре центромер — это увлекательный биологический механизм. Однако открытие не только дает новое представление о мире генетики растений, но и имеет практическое значение для селекции», — говорит Ритц.
Многие культурные растения имеют более двух наборов хромосом (полиплоидия). Это делает их размножение подверженным ошибкам, но также может давать преимущества, такие как повышенная устойчивость. Лучшее понимание размножения шиповника может помочь целенаправленно использовать эти преимущества и стабилизировать фертильность полиплоидных видов растений. Маркес заключает: «В долгосрочной перспективе наши выводы могут открыть новые пути для создания более устойчивых сельскохозяйственных культур».