Семейство растений Brassicaceae может похвастаться потрясающим разнообразием форм плодов. Но даже в этой космополитической компании выделяются сердцевидные семенные коробочки рода Capsella.
Приблизительно 8 миллионов лет назад Capsella встала на путь эволюции, отличный от своих близких родственников Arabidopsis и Camelina.
Это привело к радикально разным формам плодов, которые у этих растений образуют стручки, в которые заключены семена до их рассеивания или раскрытия. Плоды арабидопсиса имеют цилиндрическую форму, плоды Camelina имеют сферическую форму, а Capsella явно следует своему собственному сердцу.
Большая часть разнообразия Brassicaceae приходится на одну часть плода, называемую клапанами или стенками семенных коробочек. Но до сих пор было неясно, какие механизмы стоят за этими различиями.
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Current Biology, раскрывает ключевые процессы, связанные с этим генетическим путешествием, и предлагает доказательства того, как и почему возникают эти формы.
Команда из Центра Джона Иннеса использовала технологию редактирования генов, трансгенные растения и методы молекулярной отчетности, чтобы показать, что в основе этого лежит хорошо охарактеризованный ген под названием INDEHISCENT (IND).
У модельного растения Arabidopsis этот ген локально экспрессируется только в полосках клеток, которые регулируют распространение семян или разрушение стручков.
В Capsella эксперименты показывают, что IND распространил свое локальное выражение на верхнюю часть створок, плечи, которые придают растению его характерные сердцевидные плоды. Мутантные линии с отредактированными генами без гена IND показали значительно уменьшенные плечи по сравнению с диким типом.
Предыдущие исследования показали, что IND регулирует гормон роста растений ауксин. Здесь команда использовала два репортерных гена с флуоресцентными метками, которые выделяли отдельные пятна или максимумы ауксина на двойных плечах сердцевидных стручков Capsella. Однако у растений без активности IND эти максимумы отсутствовали.
«Итак, мы можем четко сказать, что IND важен для формы плода Capsella, и он опосредует его эффекты, напрямую активируя биосинтез ауксина в этих стручках, чтобы пилотировать рост в направлении этих пиков», - объясняет профессор Ларс Остергаард из Университета Джона Иннеса. Centre, автор исследования.
Вот что делает это исследование таким захватывающим. Мы не только выяснили, что IND играет хотя бы частичную роль в создании формы, но мы также выяснили, что делает ген в ткани, которая позволяет это делать. из формы в форму», - добавляет он.
Но почему эти загадочные формы эволюционировали за последние 8 миллионов лет? «Из углерода и сахаров, которые образуются в стручках из-за захваченного солнечного света во время фотосинтеза, около 50 процентов идут на выращивание семян. Таким образом, мы можем представить эволюционное преимущество Capsella из-за ее более крупной и плоской формы», - говорит профессор Остергаард.
Семейство Brassicaceae включает в себя множество экономически важных домашних культур, таких как масличный рапс, и вполне возможно, что эти последние открытия в Capsella могут найти применение в товарных культурах завтрашнего дня:
«Используя эти фундаментальные знания и переводя их в коммерческую культуру, мы можем создать более плотный покров масличного рапса с большей площадью поверхности стручков, чтобы семена вырастали больше и урожайность увеличивалась», - говорит профессор Остергаард.
Результаты подтверждают растущее число исследований в области биологии развития, которые показывают, что изменения в регуляторной последовательности ДНК в ключевых контролирующих генах, таких как IND, могут привести к разнообразным паттернам экспрессии, ответственным за изменения формы органов как в естественной эволюции, так и в одомашнивание сельскохозяйственных культур.
Полные результаты представлены в статье: Регуляторная диверсификация INDEHISCENT в роде Capsella направляет изменчивость морфологии плодов - Текущая биология