Исследователи объясняют изменчивость и адаптивность удлинения междоузлий у ячменя

Архитектура растения — результат последовательных процессов развития, которые можно разделить на два события: органогенез и удлинение. Органогенез исходит из меристем (стволовых клеток), которые дают начало различным типам органов (например, листьям и цветкам) и пазушным почкам, а также подстилающим междоузлиям. Эти органы образуют функциональную единицу — фитомер. Она итеративно повторяется и удлиняется в течение нескольких циклов, пока точка роста не прекратит развитие или не превратится в специализированную структуру.

Основная ось ячменя представляет собой непрерывную сегментацию фитомеров, в которой вегетативные и репродуктивные органы сосуществуют на противоположных концах. Однако то, как координируются инициация и удлинение фитомеров, остаётся малоизученным. Поэтому исследовательская группа систематически изучила эти процессы, сосредоточившись на количестве узлов и длине междоузлий в вегетативных стеблях и репродуктивных колосьях ячменя.

«Измерив 15 000 точек данных, представляющих длину и количество фитомеров у 2500 отдельных растений ячменя широкого генетического разнообразия, мы обнаружили ранее нераспознанный универсальный паттерн удлинения междоузлий вдоль главной оси», — объясняет доктор Юнью Хуан, первый автор исследования, опубликованного в Molecular Biology and Evolution.

«Паттерн удлинения междоузлий чётко делит главную ось тела на три субзоны от головы до хвоста, независимо от количества фитомеров», — говорит Хуан. «Мы назвали эти три субзоны проксимальными, центральными и дистальными междоузлиями соответственно и смогли явно определить генетический состав каждой из них».

В своей работе исследователи смогли идентифицировать как известные, так и новые геномные локусы, влияющие на удлинение междоузлий ячменя. Один яркий пример — ген времени цветения PHOTOPERIOD1, который перепрофилирован для определения длины проксимальных междоузлий через путь гибберелловой кислоты (GA). GA — это гормон, необходимый для удлинения междоузлий.

В 1960-х годах «полукарликовые» генные мутации Зелёной революции, модифицировавшие гормональную систему GA, снизили высоту растений пшеницы и риса, позволив выращивать их при более высокой плотности посадки и предотвращая полегание.

«Однако главным экологическим недостатком внедрения полукарликовых сортов стало высокое использование химических удобрений для поддержания фертильности соцветий при сокращении биомассы», — говорит Хуан. Сегодня ячмень по-прежнему считается менее устойчивым к полеганию. «Наше исследование показывает, что более короткие проксимальные междоузлия связаны с более высокой выживаемостью цветочных органов».

Это предполагает, что путём перераспределения ресурсов от проксимальных междоузлий к цветочным органам на ранних стадиях развития, вероятно, можно сохранить фертильность соцветий при полукарликовости, тем самым предотвращая полегание.

Кроме того, исследователи обнаружили, что различные локально адаптированные популяции ячменя демонстрируют разную длину проксимальных междоузлий, в то время как дистальные остаются одинаковыми. «В растительных сообществах плотный полог может создавать различные микроклиматы от проксимальной до дистальной части», — говорит профессор д-р Торстен Шнурбуш, руководитель исследовательской группы «Архитектура растений» IPK и профессор генетики развития культурных растений в Университете Мартина Лютера в Галле-Виттенберге. «Это может варьироваться в вертикальном пространстве, что приводит к динамическому удлинению различных междоузлий».