Как травы избегают инбридинга

Травы, включая важнейшие сельскохозяйственные культуры (кукуруза, рис, пшеница, сахарный тростник), обладают механизмом самонесовместимости. Он предотвращает самоопыление и опыление между близкородственными особями, защищая от инбридинга. Для селекции это создаёт сложности, затрудняя получение гомозиготных линий и скрещивание родственных растений.

Гены самонесовместимости у трав расшифрованы впервые

Исследователи под руководством профессора Бруно Штудера впервые идентифицировали и определили нуклеотидную последовательность генов, ответственных за самонесовместимость, на примере многолетнего райграса (Lolium perenne L.). Работа опубликована в журнале Molecular Biology and Evolution.

Прорыв стал возможен благодаря современным технологиям полногеномного секвенирования. Исследования велись более 15 лет. В 2017 году команда сузила поиск до нескольких генов-кандидатов, а теперь точно описала три гена, составляющих два локуса и контролирующих самонесовместимость.

"Знание этих генов дало нам важную основу для контроля над этим механизмом и его использования в селекции", — говорит Бруно Штудер.

Это открывает новые возможности для селекции не только кормовых трав, но и самоопыляющихся культур (рис, ячмень). Гены можно целенаправленно отключать для создания инбредных линий или встраивать в геномы растений, утративших самонесовместимость, для повышения генетического разнообразия популяций.

Взаимодействие двух удалённых локусов

Механизм основан на взаимодействии двух локусов, расположенных на разных хромосомах:

• S-локус

• Z-локус

Гены являются чертежом для трёх различных белков, которые формируют механизм типа "замок-ключ". Он распознаёт, является ли пыльца, попавшая на рыльце, генетически родственной или чужеродной, и запускает сигнал, либо прерывающий, либо завершающий процесс оплодотворения.

Уникальный механизм самонесовместимости

В отличие от других семейств растений, где механизм основан на одном локусе, у злаков он использует два. Исследователи изучили его эволюцию. Вероятно, в истории злаков произошла дупликация Z-локуса, и его копия затем мутировала и диверсифицировалась.

Анализ последовательностей у множества видов трав показал:

• S-локус имеет меньшую вариабельность последовательностей и всё ещё диверсифицируется.
• Z-локус меняется меньше, что может указывать на его большую эволюционную древность.

Филогенетическое древо позволило установить время дупликации локуса, дивергенции видов, а также выявить виды, у которых дупликации не произошло или которые утратили самонесовместимость.

Эволюционное преимущество системы с двумя локусами, по мнению учёных, могло заключаться в предоставлении растениям семейства злаков больше возможностей и гибкости для распознавания собственной пыльцы. Это могло способствовать успеху семейства, которое насчитывает около 16 000 видов, распространённых по всем континентам.