Производство зерна ячменя связано с пептидно-рецепторной системой, контролирующей архитектуру соцветия

Злаки эволюционировали с большим разнообразием соцветий, в которых семена расположены по-разному: одни типы образуют сложные, разветвленные соцветия с множеством семян, а другие — например, ячмень — имеют гораздо более простые соцветия. У ячменя каждое отдельное зерно формируется на короткой оси, называемой «рахилла».

Эти различия в архитектуре соцветия определяются на ранних стадиях развития растения, где размер, положение и продолжительность жизни меристем в конечном итоге определяют форму соцветия.

Команда ученых под руководством профессора Рюдигера Симона из Института генетики развития HHU идентифицировала сигнальный путь, который регулирует активность определенных меристем у ячменя. В Nature Communications они описывают, что небольшой пептид HvFCP1, секретируемый клетками рахиллы, взаимодействует с рецептором HvCLV1, локализованным на плазматической мембране, и таким образом контролирует рост меристем по вертикальной и горизонтальной осям. Это в конечном итоге определяет архитектуру соцветия.

Исследователи также изучили, что происходит, когда мутируют гены, ответственные за образование HvFCP1 или HvCLV1. В этих случаях растения развивают увеличенные соцветия и рахиллы. Соцветия этих мутантов ячменя демонстрируют архитектуру, похожую на соцветия пшеницы — с образованием нескольких цветков (а позже зерен) из одной рахиллы.

В своем исследовании авторы работы сочетали анализ функции генов на клеточном уровне с детальной фенотипической характеристикой с использованием сканирующей электронной и флуоресцентной микроскопии. Профессор Симон поясняет: «Центр передовой визуализации (CAi) HHU — это выдающееся учреждение, позволяющее проводить такие исследования».

Ведущий автор исследования, доктор Исайя Варданега, говорит: «Наше открытие теперь позволяет нам перепроектировать соцветия злаков. Получив более точное понимание системы стволовых клеток ячменя, мы можем, например, увеличить количество зерен и тем самым способствовать росту сельскохозяйственного производства».

Профессор Симон добавляет: «Эта работа закладывает основу для новых целенаправленных подходов к селекции. Наши знания о генетической регуляции архитектуры ячменя позволят быстрее создавать новые высокоурожайные сорта с помощью геномного редактирования».