Существует ошеломляющее разнообразие в количестве цветов, производимых каждым из 2800 или около того видов растений семейства пасленовых, которое включает такие экономически важные культуры, как помидоры, перец и картофель. Некоторые пасленовые, такие как перец, дают один цветок, в то время как другие, такие как помидоры, дают ветви с несколькими цветами.
Почему такие разительные различия между такими близкородственными видами? Хотя развитие отдельных цветков хорошо изучено, до сих пор неясно, какие механизмы контролируют, сколько ветвей даст растение и сколько цветов вырастет из каждой ветки.
Доцент Закари Липпман и группа ученых из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) использовали секвенирование РНК, чтобы идентифицировать сеть из сотен генов, которые работают вместе, чтобы определить продолжительность критического окна для роста стебля. клетки растений, дающие начало цветкам. Чем дольше это окно остается открытым, тем больше развивается стволовых клеток и тем больше цветков и ветвей может расти.
Команда также продемонстрировала, что устранение активности трех специфических генов в этой сети у растений томатов - генов, активация которых обычно приводит к образованию нескольких цветов - приводит к тому, что растения дают только один или два цветка.
«Эволюция воспользовалась гибкостью графика роста растений, чтобы создать замечательное разнообразие в производстве цветов», - говорит Липпман.
Производство цветов чрезвычайно важно для всех сельскохозяйственных культур, служащих основой для производства фруктов и семян. Однако даже между близкородственными видами существуют значительные различия как в количестве производящих цветы ветвящихся структур, известных как соцветия, так и в количестве цветов, которые прорастают из каждого соцветия.
Цветы возникают из стволовых клеток, расположенных на кончиках побегов в куполообразных структурах, называемых меристемами. До сих пор молекулярные изменения в меристеме, определяющие характер цветения растения, оставались загадкой, прежде всего потому, что виды, демонстрирующие резкое изменение соцветий, такие как пасленовые, несовместимы друг с другом. Это означает, что традиционные эксперименты по скрещиванию нельзя использовать для выявления ответственных генов.
Чтобы преодолеть это препятствие, Липпман и его коллеги, в том числе адъюнкт-профессор CSHL Майкл Шац, использовали секвенирование РНК в сравнительном геномном подходе, чтобы посмотреть, как активность тысяч генов изменяется в течение критического окна созревания меристемы у пять видов паслена.
Команда проверила почти 20 000 генов пяти видов. Из них сеть из примерно 300 генов включалась и выключалась в процессе созревания. Затем исследователи отслеживали активность этих генов в разные периоды времени в пределах критического окна.
Как сообщается сегодня в журнале Genome Research, у растений с простыми соцветиями, которые производят один цветок на каждом соцветии, подмножество из 300 генов включается на ранних стадиях критического окна. У растений с более сложными соцветиями тот же набор генов включается немного позже, расширяя окно и предоставляя больше времени для формирования дополнительных популяций стволовых клеток. Эти популяции, в свою очередь, дают начало большему количеству ветвей и большему количеству цветов. У такого пищевого растения, как томат, который дает многоцветковые соцветия, это приводит к более высокому урожаю.
«Существует множество сложных соцветий, которые возникают из-за тонких изменений в графике созревания близкородственных пасленовых», - говорит Липпман.
Хотя его команда изучала растения паслена, Липпман считает, что это открытие станет основным принципом, объясняющим разнообразие различных семейств растений, включая такие травы, как кукуруза, рис и пшеница. Поскольку эти травы составляют многие основные продукты питания в мире, это открытие может иметь особенно важные последствия.
Исследователи хотели узнать, какие конкретно гены участвуют в этом процессе. Природа анализа экспрессии генов, проведенного командой, не позволила точно определить один ген или группу генов. Однако они заметили, что среди сотен генов в сети было семейство из трех генов, называемых BLADE-ON-PETIOLE (BOP), которые, как обнаружила команда, работали вместе с ранее изученным геном созревания, называемым TMF, который обеспечивает растениям томата на каждом соцветии образуются несколько цветков. Давно известно, что эти гены BOP играют роль в развитии растений, но мало что было показано о важности этих генов в цветении.
Как сообщалось в журнале Genes and Development в сентябре, команда Липпмана использовала мощную и точную технику редактирования генов, называемую CRISPR, для создания мутаций в каждом из генов BOP растения томата. Примечательно, что когда все три гена были мутированы, соцветия растений томатов давали только один или два цветка.
Гены BOP кодируют белки, называемые транскрипционными кофакторами, которые контролируют экспрессию других генов. Липпман говорит, что эти факторы, вероятно, включают определенные гены во время нормального роста, чтобы задержать созревание меристемы, существенно расширяя критическое окно, в котором растение может производить цветы.
Липпман полагает, что можно модифицировать сеть из 300 генов, включая гены BOP, чтобы управлять процессом созревания меристемы и, таким образом, контролировать характер цветения многих видов растений.
"Вы могли бы настроить процесс созревания, так сказать, как циферблат на радио для регулировки громкости", - говорит Липпман.
Но вращение циферблата до упора для получения как можно большего количества цветов может иметь неприятные последствия, предупреждает он. У растения, которое внезапно переключает свои ресурсы на создание скоплений цветов, останется мало энергии для образования листьев, плодов и семян, необходимых для развития и воспроизводства.
«Хорошим примером этого, который мы уже показали, является то, что мы можем мутировать ген в растениях томата и получить необычайно разветвленные соцветия с сотнями цветов», - говорит Липпман. «Однако они плохо дают урожай, потому что эти цветы просто не дают плодов».
«Если эволюция показала, что можно найти точку Златовласки в диких растениях, - добавляет Липпман, - то это означает, что мы также должны быть в состоянии достичь того же наилучшего результата в сельскохозяйственных культурах, и мы считаем, что редактирование генов путь к достижению этой важной цели."