Как злаки получили свою «суперспособность»?
Пшеница, рис и кукуруза сегодня воспринимаются как привычная основа человеческого рациона, однако за их высокой продуктивностью скрывается сложная история генетических изменений, которая началась задолго до появления земледелия. Разобраться в этой истории удалось биологам, которые впервые расшифровали геномы четырех примитивных родственников современных злаков. Сравнив полученные данные, ученые смогли проследить, какие изменения происходили с геномами древних растений и, самое главное, какие из них впоследствии помогли злакам стать одними из самых успешных представителей цветковой флоры.
Исследователи изучили геномы четырех растений: Joinvillea ascendens, Ecdeiocolea monostachya, Pharus latifolius и Typha latifolia. Несмотря на то, что эти виды заметно отличаются от привычных нам пшеницы или кукурузы, они сохранили важные генетические черты своих древних предков. Одним из наиболее значимых оказалось полное удвоение генома, произошедшее у общего предка этой группы растений.
Удвоение генома стало своеобразным генетическим запасом, поскольку после появления дополнительных копий генов у эволюции возникло больше возможностей для дальнейших изменений. Часть таких копий могла сохранять первоначальную функцию, тогда как другие постепенно приобретали новые свойства, и именно этот процесс в конечном итоге помог сформировать уникальные особенности современных злаков. Особенно важным оказалось то, что после удвоения генома у предков злаков сформировался набор из трех участков ДНК, связанных с производством крахмала. Для растений это имеет принципиальное значение, ведь крахмал служит одной из главных форм хранения энергии. В результате семена злаковых растений получили возможность накапливать большое количество запасных веществ. Для будущего растения это означает не просто наличие пищи, а дополнительный энергетический ресурс, который позволяет быстрее пройти первые этапы развития после прорастания.
Так постепенно возникло преимущество, которое сегодня кажется естественным: молодые злаки способны быстро набирать биомассу, вырастать и эффективнее использовать солнечный свет.
Однако одного крахмала для стремительного роста недостаточно. Растению необходимо одновременно создавать прочную клеточную структуру, и здесь на первый план выходит лигнин — важнейший компонент растительной биомассы, придающий клеточным стенкам жесткость и прочность.
Исследователи обнаружили, что ключевой ген PTAL появился еще до возникновения общего предка современных злаков. Он сформировался в результате удвоения другого гена — PAL, который участвует в синтезе лигнина у незлаковых растений.
Но само удвоение оказалось лишь началом. В одной из копий гена произошли две точечные мутации, которые изменили ее работу и позволили сформировать дополнительный путь синтеза лигнина.
Именно сочетание этих изменений, как считают ученые, могло стать одним из важных факторов, позволивших злакам быстро создавать необходимую для роста растительную ткань. Таким образом, эволюционный успех этих растений оказался связан не с одной случайной мутацией, а с последовательным накоплением изменений, которые дополняли друг друга.
Полученные результаты интересны не только с точки зрения эволюции. Они открывают возможность использовать знания о генетической истории злаков для повышения продуктивности других сельскохозяйственных культур.
Если ученым удастся воспроизвести аналогичные изменения в геномах растений, не относящихся к злакам, теоретически можно будет изменить особенности их обмена веществ и усилить способность к образованию лигнина. В перспективе это способно помочь создавать более быстрорастущие и продуктивные культуры.
Разумеется, превращение этой идеи в практическую технологию потребует дополнительных исследований, поскольку скорость роста растения определяется множеством взаимосвязанных процессов.
Подготовил Роман БОНДАРЧУК, УзА
