Определение того, как один вид становится отличным от другого, было предметом увлечения еще со времен Чарльза Дарвина. Новое исследование, проведенное Мэтью Эвансом из Карнеги и опубликованное в журнале Nature Communications, проясняет механизм, благодаря которому кукуруза отличается от ее древней травы-предка, теосинте.
Видообразование требует изоляции. Иногда этой изоляции способствует география, например, горные цепи или острова, которые разделяют две популяции и препятствуют их скрещиванию, пока они не станут разными видами. Но в других случаях барьеры, разделяющие виды, являются физиологическими факторами, которые мешают им успешно спариваться или производить жизнеспособное потомство.
«У растений эта генетическая изоляция может поддерживаться особенностями, которые не позволяют «мужской» пыльце одного вида успешно оплодотворять «женский» пестик другого вида», - объяснил Эванс.
Около 9 000 лет назад кукуруза была одомашнена из теосинте в долине реки Бальсас в Мексике. Некоторые популяции двух злаков совместимы для разведения. Но другие растут в тех же местах и цветут в одно и то же время, но редко дают гибриды.
Было известно, что кластер генов, называемый Tcb1-s, является одним из трех, которые придают несовместимость между этими редко гибридизующимися популяциями кукурузы и теосинте. В отличие от двух других, он встречается почти исключительно в диком теосинте. Он содержит как мужские, так и женские гены, которые кодируют способность дикого теосинте отторгать пыльцу кукурузы.
У сексуально совместимых растений пыльца, которая в основном является средством доставки сперматозоидов, приземляется на пестик и образует трубку, которая удлиняется и проникает в яичник, где происходит оплодотворение яйцеклетки. Но это не то, что происходит, когда пыльца кукурузы попадает на пестик или шелк дикого растения теосинте.
Эванс и его коллеги - Юнсян Лу из Карнеги (первый автор), Сэмюэл Хокин и Томас Хартвиг, а также Джерри Кермикл из Висконсинского университета в Мэдисоне - продемонстрировали, что женский ген Tcb1 кодирует белок, способный модификации клеточных стенок, что, вероятно, делает пыльцевые трубки кукурузы менее эластичными и, таким образом, предотвращает их попадание в яйца теосинте. Когда эти трубки не могут дотянуться до яиц, оплодотворение не может произойти, и гибриды невозможны.
Более того, поскольку пыльца теосинте может оплодотворяться сама, исследователи считают, что мужские гены Tcb1 кодируют способность, которая позволяет пыльце теосинте преодолевать барьер, образующийся в пыльцевых трубках.
«Большинство растений, опыление которых зависит от ветра и воды, а не от птиц или насекомых, имеют низкое видовое разнообразие», - сказал Эванс. «Но не травы, что делает их эволюционную историю особенно интересной».