Ученые обнаружили ген, который уменьшает количество пыльцы растений

Уже в 19 веке Чарльз Дарвин признал, что число мужских гамет - пыльца для растений, сперма для животных - сильно варьируется среди людей и видов. На первый взгляд большое число мужских гамет кажется полезным для конкуренции среди самцов, чтобы произвести больше потомства. Однако многие одомашненные виды имеют меньшее количество мужских гамет. Теоретически может быть выгодно снизить стоимость производства мужских гамет, например, когда скорость самооплодотворения или инбридинга высока и для успешного размножения необходимо меньшее количество мужских гамет.

Анализ генома самоопыляющегося растения

«До сих пор было мало доказательств в поддержку этой идеи, потому что производство мужских гамет является сложной чертой, на которую влияют многие гены с небольшими эффектами, а его молекулярная основа осталась неизвестной», - говорит Кентаро Симидзу, профессор эволюционных исследований в области биологии и окружающей среды.

Международное исследование под руководством Университета Цюриха (УЦ) в настоящее время предоставляет такие доказательства и демонстрирует, что сокращение числа пыльцы не обязательно вредно, но скорее выгодно для самооплодотворяющихся видов.

Для своего исследования ученые использовали хорошо охарактеризованное модельное растение Arabidopsis thaliana, которое в основном самооплодотворяется и имеет меньшее количество пыльцевых зерен по сравнению с его родственниками в дикой природе. Они подсчитали количество пыльцы из 144 растений с разным генетическим фоном и обнаружили вариации от 2000 до 8000 зерен пыльцы на цветок. Затем они сравнили всю генетическую информацию этих вариантов, чтобы найти различия между растениями с более высоким и низким числом пыльцы.

Ген RDP1 контролирует продукцию пыльцы

Этот вычислительный анализ, так называемое исследование ассоциации по всему геному, выявил один ген, который влияет на количество пыльцы, которое производит каждое растение, который впоследствии был назван геном REDUCED POLLEN NUMBER1 (RDP1). Используя новую технологию редактирования генома CRISPR-Cas9, исследователи создали несколько мутантных вариантов гена RDP1 как у растений с высоким, так и с низким числом пыльцы. Они скрестили мутировавшие растения друг с другом и сосчитали пыльцу, которую произвел гибридное потомство.

«Эти эксперименты подтвердили тонкий, но значительный эффект гена RDP1», - говорит соавтор Мисако Ямадзаки, технический персонал группы Симидзу.

Сравнение с другими организмами показало, что ген кодирует фактор, который способствует созданию рибосом, клеточных фабрик для производства белка.

Чем меньше пыльцы, тем выше отбор

Затем, команда проверила, было ли выбрано сокращение количества пыльцы и произошло ли оно случайно. Для этого они использовали статистический метод, чтобы понять эволюцию гена RDP1 в ​​модельных растениях с разной продукцией пыльцы. Результаты показали, что признак пониженного числа пыльцы действительно находился под положительным отбором.

Кроме того, исследовательская группа изучала эволюцию многих геномных областей, связанных с числом пыльцы. Выбор по количеству пыльцы был очень сильным - по сравнению с предыдущими исследованиями более 100 признаков, таких как устойчивость к болезням и реакция окружающей среды. Это подтверждает важность числа пыльцы для репродуктивного успеха, пишет EurekAlert.

Оптимизация удобрения в сельском хозяйстве

«Данные подтверждают теоретический прогноз о том, что сокращение инвестиций в мужские гаметы выгодно. Это важно не только для эволюционной биологии, но и для практики селекции растений и одомашнивания в целом», - объясняет Симидзу. «Многие культурные растения имеют меньшее количество пыльцы из-за одомашнивания. Снижение затрат на производство пыльцы может увеличить урожайность. С другой стороны, слишком мало пыльцевых зерен может стать препятствием для селекции и производства семян. Наше исследование открывает путь для молекулярной селекции оптимального числа пыльцы».