Удивительная двойная жизнь генома кукурузы
Ранние фермеры, выращивавшие кукурузу, отбирали растения с генами, улучшающими улавливание солнечного света. Это показало новое детальное исследование того, как растения используют «дубликаты» своих геномов. Результаты могут помочь современным усилиям по улучшению существующих сортов сельскохозяйственных культур.
Исследователи из Оксфордского университета сделали «генетический снимок» кукурузы, какой она была 10 миллионов лет назад, когда растение дублировало свой геном — событие полногеномной дупликации. Затем они проследили, как кукуруза эволюционировала, чтобы использовать эти «скопированные» гены для адаптации к давлению одомашнивания, начавшегося около 12 000 лет назад. Они обнаружили, что эти дублированные гены были жизненно важны для оптимизации фотосинтеза в листьях кукурузы, и что ранние фермеры, отбиравшие их, «подпитывали» превращение кукурузы в высокоурожайную культуру.
Отчет об исследовании опубликован на этой неделе в журнале Genome Research.
«Хотя события полногеномной дупликации широко распространены у растений, найти доказательства того, как именно растения используют этот новый "инструментарий" скопированных генов, очень сложно, — сказал доктор Стив Келли из Департамента наук о растениях Оксфордского университета, ведущий автор отчета. — С такими культурами, как пшеница, нам еще не под силу распутать "до и после" связанных генетических изменений, но с кукурузой мы можем проследить, как эти копии генов сначала были приобретены, затем поставлены на службу и, наконец, "отточены" для создания современного растения кукурузы, выращиваемого сегодня».
Для такой генетической детективной работы особенно полезно то, что близкие родственники кукурузы не дублировали свои геномы 10 миллионов лет назад: те, кто сохранил одну копию, стали растением, которое мы теперь знаем как сорго. Это позволило исследователям сравнить генетические данные этих «дублированных» и «недублированных» потомков древней кукурузы, что пока невозможно с другими дублированными культурами, такими как пшеница.
В дикой природе растения должны преодолевать проблемы, создаваемые патогенами и хищниками, чтобы выжить. Однако с началом одомашнивания человеком растения, выращиваемые как сельскохозяйственные культуры, столкнулись с новым набором искусственных факторов отбора, таких как высокая урожайность и большая устойчивость к стрессу.
«События полногеномной дупликации являются ключевыми для того, чтобы позволить растениям развивать новые способности, — сказал доктор Келли. — Понимание полной траектории дупликации и того, как скопированные гены могут трансформировать растение, актуально для текущих усилий по повышению фотосинтетической эффективности сельскохозяйственных культур, таких как Проект C4 Rice [c4rice.irri.org/]. Наше исследование — отличное доказательство того, что оптимизация фотосинтеза действительно важна для создания высокоурожайных культур, и показывает, как человеческий отбор "высекал" копии генов для создания одного из основных мировых источников пищи».