Ключ к лучшей спарже найден в эволюции половых хромосом
Учёные из Университета Джорджии в сотрудничестве с международной командой селекционеров и генетиков секвенировали геном спаржи лекарственной (garden asparagus) как модели для изучения эволюции половых хромосом. Исследование проливает свет на давние вопросы о происхождении и ранней эволюции половых хромосом и одновременно служит основой для программ селекции спаржи.
Эта работа, ставшая первым подтверждением ранних моделей о том, как половые хромосомы расходятся внутри одного вида, опубликована в Nature Communications.
В то время как большинство цветковых растений — гермафродиты, растения спаржи лекарственной обычно либо мужские (XY), либо женские (XX), хотя в теплицах можно получить YY "суперсамцов". Производители предпочитают полностью мужские растения, так как они живут дольше и не дают самосева. Селекционеры получают полностью мужские XY-семена, скрещивая XX-самку с YY-суперсамцом. До сих пор различия между X и Y хромосомами спаржи не были понятны, и селекционеры не могли отличить XY-самцов от YY-суперсамцов без трудоёмких тестовых скрещиваний.
"Одна из вещей, которую мы смогли сделать довольно рано в нашем сотрудничестве, — это идентифицировать генетические маркеры, позволяющие селекционерам эффективно отличать XY-самцов от YY-самцов, а затем использовать этих YY-самцов для производства полностью мужских семян", — сказал Джим Либенс-Мак, профессор биологии растений и старший автор исследования.
Понимание генетической вариативности растений, позволяющей существование XY и YY самцов, продвинулось благодаря идентификации генов, определяющих пол. Это открывает путь для более эффективной разработки и производства ценных гибридных растений спаржи.
"Помимо более быстрой идентификации половых генотипов, наши коллеги теперь могут манипулировать Y-хромосомой спаржи, чтобы превращать самцов в самок или гермафродитов. В ближайшем будущем селекционеры смогут скрещивать любые линии, не будучи вынужденными искать в одной линии самку с одним набором характеристик, а в другой — самца с комплементарными признаками", — отметил Либенс-Мак.
Вопросы о большом разнообразии половых систем у растений восходят к Чарльзу Дарвину, а двухгенная модель происхождения половых хромосом была предложена датским генетиком Могенсом Вестергаардом в начале XX века. Но теорию было невозможно проверить на примере половых хромосом человека и млекопитающих, где расхождение X и Y хромосом произошло десятки миллионов лет назад.
Однако у цветковых растений, таких как спаржа, разделение полов и появление половых хромосом произошло недавно, что представляет идеальную возможность проверить двухгенную модель Вестергаарда и одновременно помочь программам селекции сельскохозяйственных культур.
Исследователи обнаружили, что, как предсказывали Вестергаард и другие, начальной точкой эволюции половых хромосом спаржи стало сцепление гена, необходимого для мужской функции, с геном, подавляющим развитие женских органов, на небольшом участке Y-хромосомы.
"За последние сто лет эволюционные биологи выдвинули несколько гипотез о том, как обычная пара хромосом может эволюционировать в пару X и Y, определяющую пол", — сказал Алекс Харкесс, бывший аспирант лаборатории Либенс-Мака и ведущий автор исследования. — "Наша работа подтверждает одну из этих гипотез, показывая, что пара половых хромосом может эволюционировать в результате мутаций всего в двух генах — одном, влияющем на развитие пыльцы (мужское), и другом, влияющем на развитие пестика (женское)".
"Селекционеры мечтали манипулировать определением пола у спаржи лекарственной десятилетиями", — сказал соавтор Рон ван дер Хулст из селекционной компании Limgroup в Нидерландах. — "Идентификация генов определения пола у спаржи теперь позволит нам получать растения с мужскими, женскими и обоеполыми цветками и значительно ускорит разработку инбредных линий для производства элитных гибридных семян".
Соавтор и итальянский селекционер спаржи Агостино Фалавинья также отметил, что референсный геном спаржи лекарственной позволит ему и другим селекционерам более эффективно использовать диких родственников в качестве источников генов, которые могут повысить устойчивость к болезням, качество побегов, вкус, аромат и содержание антиоксидантов.