Согласно новому исследованию, при естественной или искусственной гибридизации успех растения (и селекционера) зависит от того, насколько хорошо взаимодействуют три набора генетических инструкций, содержащихся в его клетках. Анализируя гибриды двух скрещенных видов деревьев, исследователи обнаружили, что два набора этих генов, унаследованные от разных видов, могут плохо взаимодействовать друг с другом, нарушая способность растения использовать свет для фотосинтеза и усваивать ключевые питательные вещества. Однако, когда комбинация унаследованных генов лучше согласуется, такие растения, например, способны лучше адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды.
Исследователи -ботаники из Университета штата Пенсильвания, опубликовавшие свои результаты в журнале Proceedings of the Royal Society B, отмечают, что их работа поможет в более успешной гибридизации, включая климатоустойчивые растения.
Почему происходит цитоядерное несоответствие
Ученые сосредоточились на двух из трех наборов генетических инструкций, или геномов: один находится в ядре клетки, или центре управления, а другой геном содержится в хлоропласте, структуре, необходимой для фотосинтеза. Третий геном находится в митохондриях, которые имеют решающее значение для клеточного дыхания, но команда не включила его в свой анализ, поскольку исследование было сосредоточено на фотосинтетической активности.
«Различные компоненты генома растения — его генетический материал — работают вместе, чтобы обеспечить его нормальное функционирование, и когда два разных вида или популяции скрещиваются или гибридизируются, эта координация может нарушиться», — сказала первый автор исследования Мишель Завала-Паэс, аспирантка межуниверситетской программы магистратуры по экологии в Университете штата Пенсильвания.
Она объяснила, что когда ядерный и хлоропластный геномы — специализированные органеллы в растительных клетках, преобразующие световую энергию в химическую энергию, или сахара, используя солнечный свет, воду и углекислый газ, выделяя кислород в качестве побочного продукта, — эволюционировали отдельно у разных видов, их «совместная работа» может не функционировать должным образом у гибридов и приводить к так называемому «цитоядерному несоответствию».
Пример гибридов тополя
В исследовании, посвященном двум близкородственным видам деревьев на северо-западе Тихоокеанского региона — черному тополю и бальзамическому тополю, — участвовала группа под руководством ведущего автора Джилл Гамильтон, доцента Колледжа сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания, директора Центра молекулярной генетики деревьев им. Шаца и научного руководителя Завала-Паэс.
Исследователи собрали вегетативные черенки — ветви, способные давать корни и побеги, — с 574 различных деревьев в естественной зоне гибридизации между черным тополем и бальзамическим тополем в географической полосе, простирающейся от Аляски на юго-восток через территорию Юкона в Канаде, Британскую Колумбию и Альберту, а также через американские штаты Вашингтон, Айдахо, Монтана и Вайоминг. В этом регионе исследователи выявили шесть различных зон контакта с востока на запад, где два вида естественным образом гибридизируются.
Черенки были отправлены в Блэксбург, штат Вирджиния, где сотрудники Вирджинского технологического университета размножили их в контролируемых тепличных условиях. Исследователи извлекли ДНК и проанализировали геномы размноженных растений, получив как полный ядерный, так и хлоропластный геномы.
Секвенирование геномов такого большого количества гибридных деревьев и анализ огромного объема генетических данных, собранных в ходе этого исследования, были бы невозможны без колоссальной вычислительной мощности кластера Roar Collab, высокопроизводительного вычислительного центра, управляемого Институтом вычислительных и информационных наук при Университете штата Пенсильвания.
Команда также отправила выращенный материал в полевые условия в Вирджинии и Вермонте, где саженцы использовались для проведения экспериментов в условиях общего сада. Выращивание генетически идентичных деревьев со смешанным генетическим происхождением в различных условиях позволило команде оценить, как различные взаимодействия ядра и хлоропластов влияют на здоровье растений, включая фотосинтетические характеристики и использование питательных веществ, критически важных для жизнеспособности растений.
Ученые хотели определить, сохраняются ли вместе гены в ядерном и хлоропластном геномах, эволюционировавшие вместе, при возникновении гибридизации. Кроме того, они стремились понять, влияют ли несоответствия между ядерным и хлоропластным происхождением на жизнедеятельность растений в различных условиях.
В целом, исследователи обнаружили, что геном хлоропластов и взаимодействующие с ним ядерные гены не всегда оставались вместе в разных гибридных зонах.
Однако в некоторых местах, где наблюдались резкие градиенты окружающей среды — включая переход от более теплых и влажных морских условий, характерных для прибрежных районов, к более прохладным бореальным условиям, например, в Скалистых горах на северо-западе Канады, — местные условия окружающей среды, по-видимому, способствовали отбору генов, которые эволюционировали вместе. Другими словами, окружающая среда может способствовать отбору генов, которые хорошо взаимодействуют друг с другом, и их дальнейшему совместному существованию.
Исследователи также обнаружили, что когда хлоропластное происхождение дерева не совпадает с его ядерным происхождением, его физиологические показатели могут меняться — иногда в лучшую, иногда в худшую сторону — в зависимости от условий окружающей среды. Например, деревья, у которых хлоропластный и ядерный геномы не совпадают, как правило, демонстрировали более низкую эффективность фотосинтеза, то есть они были менее эффективны в преобразовании солнечного света в полезную энергию. Этот эффект наблюдался в разных условиях, но ярче выражался в более теплом климате Вирджинии.
По словам Джилл Гамильтон, которая в настоящее время является стипендиатом программы Leadership Fellowship в Институте наук о жизни Хака при Университете штата Пенсильвания, «понимание того, какие комбинации геномов показывают наилучшие результаты, может помочь селекционным программам в разработке более устойчивых растений и сохранении биоразнообразия в условиях быстро меняющегося климата. Исследование показывает, что взаимодействие между ядерным и хлоропластным геномами влияет на функционирование гибридных растений, и что экологический контекст этих взаимодействий может усиливать, ослаблять или даже обращать вспять последствия этих генетических несоответствий».
Источник: Pennsylvania State University. Автор: Джефф Малтоллем.
На фото - Мишель Завала-Паэс, первый автор исследования и аспирант межуниверситетской программы по экологии в Университете штата Пенсильвания, выбирает главный побег гибридного тополя для сбора первого полностью распустившегося листа для физиологических измерений. Источник фото: Университет штата Пенсильвания.