У таких растений, как львиный зев и петуния, когда пыльца попадает на пестик, она прорастает и начинает расти. Однако рыльце содержит токсин (SRNase), который останавливает рост пыльцы. Пыльца, в свою очередь, имеет группу генов (гены F-box), которые производят противоядия ко всем токсинам, кроме токсина, вырабатываемого стигмой «я». Следовательно, пыльца может оплодотворяться, когда она попадает на рыльце, которое не принадлежит тому же растению, но не когда она попадает на собственное рыльце растения. Это может показаться жесткой системой, но растения могут использовать эту систему токсин-антидот, чтобы гарантировать, что они спариваются только с генетически другим растением. Это важно, так как самооплодотворение приводит к инбридингу, что губительно для потомства.
В системах, не связанных с самораспознаванием, мужские (пыльца) и женские (клеймо) гены работают вместе как команда, определяя узнавание, так что конкретная вариация мужских и женских генов образует тип спаривания. Несамораспознающие системы встречаются повсюду вокруг нас в природе и имеют поразительное разнообразие типов спаривания, поэтому большой вопрос в их эволюции заключается в следующем: как развить новый тип спаривания, если для этого требуется мутация с обеих сторон? Например, когда происходит изменение женской стороны (стигма), она вырабатывает новый токсин, противоядия от которого нет ни у одной другой пыльцы, поэтому спаривание не может произойти. Означает ли это, что сначала должно произойти изменение мужской стороны (пыльцы), чтобы появилось противоядие, а затем ждать соответствующего изменения рыльца (женской стороны)? Но как работает эта коэволюция, если эволюция - случайный процесс? Существует ли определенный порядок мутаций, который с большей вероятностью приведет к созданию нового типа спаривания?
Чтобы расшифровать, как развивались такие сложные системы самораспознавания, Мелинда Пикап, постдоктор в группе Ника Бартона в IST Austria и биолог-экспериментатор растений, работала вместе с теоретиками (и предыдущими постдоками в группе Бартона) Катариной. Бодова, ныне доцент Университета Коменского в Братиславе, Тадеас Приклопил, ныне постдоктор Лозаннского университета, а также Дэвид Филд, ныне доцент Венского университета. Этот проект является примером ситуации, когда для решения биологического вопроса требуются навыки ученых из самых разных областей исследований, в данном случае из области эволюционной генетики, теории игр и прикладной математики.«Этот проект показывает, как сотрудничество между учеными с самым разным опытом может сочетать биологические знания с математическим анализом, чтобы пролить свет на увлекательную эволюционную загадку», - объясняет Ник Бартон.
Благодаря теоретическому анализу и моделированию исследователи исследовали, как новые типы спаривания могут развиваться в системе самораспознавания. Они обнаружили, что существуют разные пути, по которым могут развиваться новые типы. В некоторых случаях это происходит через промежуточную стадию способности к самооплодотворению; но в других случаях это происходит, оставаясь самонесовместимым. Они также обнаружили, что новые типы спаривания развивались только тогда, когда стоимость самооплодотворения (через инбридинг) была высокой. Было обнаружено, что неполнота - т. е. отсутствие генов F-box, вырабатывающих противоядия от женских токсинов, - важна для эволюции новых типов спаривания: полные типы спаривания (с полным набором генов F-box) сохранялись дольше всего. время, так как у них наибольшее количество партнеров для спаривания. Новые типы спаривания развивались с большей готовностью, когда в популяции было меньше типов спаривания. Кроме того, демографические характеристики популяции влияют на эволюцию систем распознавания не-самосознания: размер популяции и частота мутаций влияют на то, как развивается эта система.
Итак, хотя кажется, что наличие полной команды генов пыльцы F-box (и, следовательно, противоядий) является лучшим способом для развития новых типов спаривания, эта система сложна и может меняться по ряду различных путей. Интересно, что, хотя исследователи обнаружили, что новые типы спаривания могут развиваться, разнообразие генов в их теоретическом моделировании было меньше по сравнению с тем, что наблюдается в природе. Для Мелинды Пикап это наблюдение интригует: «Мы дали некоторое представление о системе, но остается еще много вопросов, и тайна высокого разнообразия в природе все еще существует».