Культуры, эволюционировавшие путем обмена генетическими модулями между клетками

Сравнение секвенирования одноклеточных культур зерновых культур дает представление о сельскохозяйственных характеристиках, имеющих решающее значение для адаптации растений к изменению климата.

Согласно новому исследованию, проведенному исследователями Нью-Йоркского университета, сравнение отдельных клеток кукурузы, сорго и проса выявляет эволюционные различия между этими важными зерновыми культурами.

Результаты, опубликованные в журнале Nature, приближают исследователей к определению того, какие гены контролируют важные сельскохозяйственные характеристики, такие как устойчивость к засухе, что поможет ученым, столкнувшимся с изменением климата, адаптировать сельскохозяйственные культуры к более засушливой среде.

Кукуруза, сорго и просо служат пищей для людей и животных во всем мире. Кукуруза и сорго — древние родственники, которые примерно 12 миллионов лет назад развились в два разных вида, а просо — более дальний родственник.

Несмотря на общее происхождение, эти культуры имеют существенные различия в ключевых характеристиках — например, сорго гораздо более устойчиво к засухе, чем кукуруза, а растения выделяют из своих корней уникальные клейкие вещества, определяющие их взаимодействие с окружающей почвой. Эти различия могут быть связаны с тем, что кукуруза претерпела полную дупликацию генома после отделения от сорго.

«Важность этих культур, их эволюционная близость и функциональные различия открывают прекрасную возможность для сравнения моделей экспрессии генов на клеточном уровне», — сказал Бруно Гильотен, научный сотрудник факультета биологии Нью-Йоркского университета и первый автор исследования. «Хотя эти три культуры похожи, важно то, чем они отличаются друг от друга, поскольку у них есть черты, которые мы, возможно, захотим перенести от одной к другой, например, устойчивость к засухе».

Исследователи провели профилирование мРНК отдельных клеток в корнях кукурузы, сорго и проса, рассекая корни, чтобы рассмотреть клетки по отдельности и точно наблюдать, где гены экспрессируются в конкретной клетке. Затем они сравнили одни и те же специализированные клетки трех культур.

«Корни — это первая линия защиты от засухи и жары. Вы можете думать о корне как о машине со многими рабочими частями — в данном случае, типами клеток — поэтому вы знаете, как работает машина, собирая воду и справляясь с засухой и жарой. действительно важно», — сказал Кеннет Бирнбаум, профессор факультета биологии Нью-Йоркского университета и Центра геномики и системной биологии и старший автор исследования. «Сравнение различных видов помогает нам определить, какие гены отвечают за ключевые сельскохозяйственные характеристики».

Изучая, как клетки развивались и расходились у разных видов, исследователи выявили несколько тенденций, которые указывают на «переделку» — или перестановку существующих элементов — клеток с течением времени. Во-первых, они заметили, что в процессе эволюции клетки часто обмениваются модулями экспрессии генов или группами из 10 или 50 генов с координированными функциями между типами клеток.

«Эта замена генных модулей была продемонстрирована на животных, но полученные нами данные впервые были проиллюстрированы на большом уровне у растений», — добавил Бирнбаум.

Такая замена модулей была продемонстрирована в открытии корневой слизи — липкого вещества, наполненного питательными веществами, которые корни выделяют в почву. Слизь полезна для смазывания почвы, чтобы корни могли проходить сквозь нее и привлекать полезные бактерии, которые защищают растение или обеспечивают труднодоступные питательные вещества.

Исследователи обнаружили, что гены, которые помогают производить корневую слизь, расположены в разных частях корня кукурузы, сорго и проса. У сорго гены слизи были обнаружены во внешней ткани корня, а у кукурузы они были заменены на новый тип клеток в корневом чехлике — эволюционное изменение, которое может позволить кукурузе привлекать бактерии, которые помогают растению получать азот. Они также определили другие генные регуляторы, которые менялись в разных типах клеток в зависимости от культуры, предоставив исследователям главных кандидатов для тестирования генов, передающих определенные признаки.

Кроме того, исследователи обнаружили, что дупликация всего генома кукурузы после ее отделения от сорго 12 миллионов лет назад затронула определенные типы клеток, что позволило клеткам кукурузы быстро специализироваться. Они также заметили, что некоторые виды клеток выступали в качестве доноров новых генов, в то время как другие, по-видимому, собирали новые дубликаты генов, что может свидетельствовать о том, что дупликация генов ускорила эволюцию определенных клеток.