Підлога кольору визначається взаємодією трьох генів

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 64

Вивчаючи розвиток квіток дині (Cucumis melo, ліворуч) і огірка (Cucumis sativus), вчені навчилися керувати підлогою квіток. Малюнки з сайтів vintageprintable.com і artflakes.com

Дослідники з Франції та Ізраїлю встановили, як взаємодія трьох генів визначає стать квітки. Модифікації активностей цих генів призводять до появи різних типів рослин — гермафродитів з обопільними квітками, рослин, на яких є квітки чоловічої та жіночої статі, або ж рослин, всі квітки яких одностатеві. Завдяки цим знанням можна буде отримувати рослини з квітками певної статі.

У квіток статеві органи бувають двох типів: чоловічі — тичинки і жіночі — плодолістики. Тичинки виробляють пилок, а плодолістики утворюють пестики квіток, з яких після запліднення пилком розвиваються плоди. Більшість квіток обопільні (гермафродитні) — у них є і пестики, і тичинки. Приблизно у 10% рослин зустрічаються і одностатеві квітки, що володіють органами розмноження тільки одного типу.

На одній рослині можуть розташовуватися квітки обох статей (наприклад, чоловічі квітки — ближче до основи втечі, а жіночі — ближче до верхівки). Такі рослини називаються однодомними — всі рослини виду в цьому випадку однакові. Приклади однодомних рослин: ?, береза, огірок. Зустрічаються і двудомні рослини — кожна рослина в цьому випадку можна назвати або чоловічою, або жіночою, тому що на ній розташовуються або тільки квітки з тичинками, або тільки з плодолістиками. Приклади двудомних рослин: осина, тополя, обліпиха. Серед рослин з різностатевими квітками однодомних і двудомних приблизно порівну.

Одностатеві та гермафродитні квітки можуть зустрічатися і у представників одного виду. Наприклад, є види, у яких частина рослин — гермафродити, а частина — чоловічої статі. Одностатеві та гермафродитні квітки можуть знаходитися і на одній рослині. Не обійшлося і без тридомних рослин, у яких бувають і «самці», і «самки», і гермафродити. Ботаніків давно цікавить, як сформувалося це багатство поділу статей у рослин. Можна запропонувати кілька схем, за якими воно виникло.

Двудомні рослини можуть статися від однодомних у результаті низки мутацій, що змінили співвідношення квіток двох підлог на одну особину. У той же час, двудомні рослини можуть виникати з гермафродитів, чомусь втратили органи певного типу на всіх квітках. Розсудливі схеми хотілося б підтвердити розшифровкою взаємодії генів, які в кінцевому етапі визначають стать квітки. Знаючи структуру цієї генетичної мережі, можна було б зрозуміти, як мутації окремих генів можуть вплинути на пів квіток. Базуючись на цих міркуваннях, можна побудувати правдоподібну схему еволюційного становлення різних типів поділу статей. Що ще цікавіше, розуміння схеми взаємодії генів, що визначають стать квітки, дозволить вченим керувати розвитком квіток. Отримати на одній рослині більше квітків жіночої статі, наприклад, корисно, щоб збільшити врожай плодів.

Генетика квіткових рослин вже накопичила чимало даних про механізми, що впливають на підлогу квітки. Правда, про генетичні причини явища зовсім нічого не зрозуміло, і поки допомагає вивчення мутацій, що виникли природним шляхом. Наприклад, вже було відомо, що за відсутності роботи гена CmWIP1 у однодомних динь всі квітки рослини стають жіночими. А робота гена CmACS-7 перешкоджає появі тичинок на жіночих квітках — тобто заважає розвитку гермафродитів з жіночих квіток. Тим не менш було незрозуміло, що змушує ці гени працювати (або не працювати) в певному наборі квітків, призводячи до характерного для кожного виду поділу підлоги. Повинен існувати якийсь регулятор (або система регуляторів), який запускає розвиток квітків з певними ознаками.

Дослідники з Франції та Ізраїлю вирішили пошукати відсутні фрагменти мозаїки. Раз бувають мутації, через які всі квітки стають жіночими, напевно повинні бути генетичні варіанти з протилежним ефектом — тобто приводять до розвитку виключно чоловічих квіток на зазвичай однодомній рослині. З’ясувалося, що така мутація — дефект гена ACS11 — описана для огірків, рослин того ж сімейства Гарбузові, що і диня. Вчені досліджували цю мутацію, що призводить до перетворення всіх квіток на чоловічі, і з’ясували, що вона призводить до передчасної зупинки синтезу важливого ферменту біосинтезу етилену. Виявилося, що можна «зламати» цей фермент і іншими способами, і після того, як його активність різко знижувалася, всі квітки на рослині ставали чоловічими. Щоб зібрати повну колекцію генів, які керують розвитком квіток одного виду рослини, вчені знайшли ген, аналогічний тому, який вони вивчили біля огірка, біля дині. Виявилося, що поломки кодованого цим геном ферменту і біля дині призводять до розвитку тільки чоловічих квіток на зазвичай однодомних рослинах.

Вчені також дослідили, де конкретно повинен працювати новообзовенный ген розвитку квіток за жіночим типом, щоб впливати на підлогу квітки. Виявилося, ген ACS11 повинен бути активний в провідних тканинах — флоемі розвивається бутона (рис. 1). Крім жіночих квіток, ACS11 був активний і в кольорах-гермафродитах, що володіють обома типами статевих органів.

Ріс. 1. Активність гена ACS11 в тканинах бутону жіночої квітки огірка. Області активності гена пофарбовані темно-фіолетовим. Xy — ксилема, EPh — зовнішня флоема, IPh — внутрішня флоема. Довжини масштабних відрізків: C, D — 200 мкм, F — 15 мкм. Зображення з обговорюваної статті в Science

Всі ці знання потрібно було об’єднати в узгоджену схему. Ось що вийшло. Ген CmWIP1 пригнічує розвиток плодолістиків, а його відключення призводить до розвитку жіночих квіток. Ген ACS11 призводить до розвитку жіночих статевих органів біля жіночих квіток і квіток-гермафродитів. Тому вчені припустили, що ACS11 інгібує активність CmWIP1. Дійсно, виявилося, що CmWIP1 не працює там, де активний ACS11, а «поломка» гена ACS11 веде до відновлення активності CmWIP1. Так вчені встановили схему взаємодії перших двох генів ланцюжка, відповідального за стать квітки. На її початку розташовується ген ACS11, що стимулює розвиток плодолістиків (жіночих органів), пригнічуючи активність наступного по ланцюжку гена — CmWIP1. Активність CmWIP1 блокує освіту плодолістиків. Якщо ламається перший ген — ACS11, — то квітки розвиваються за чоловічим типом, а якщо другий — CmWIP1, — то за жіночою.

Що стосується третього гена системи, CmACS-7, то про нього було відомо, що він блокує розвиток тичинок на жіночих квітках, тобто заважає появі квіток-гермафродитів. Робота цього гена явно несумісна з активністю другого гена ланцюжка — CmWIP1, що сприяє розвитку чоловічих квіток. Вчені припустили, що активність цього третього гена пригнічується під час роботи другого. Загальна схема визначення підлоги квітки вийшла наступною (рис. 2): На початку стоїть ген ACS11, активність якого призводить до відключення гена CmWIP1, здатного зняти блокування з процесу розвитку тичинок, а також переважного розвитку плодолістиків. Через блокування другого гена, CmWIP1, перший ген, ACS11, призводить до розвитку жіночих квіток. Гермафродитні квітки можуть розвинутися, якщо ламається останній ген системи, CmACS-7, переважний розвиток тичинок. У нормі він працює, якщо його не відключає CmWIP1, тобто в жіночих квітках.

Ріс. 2. Схема взаємодії генів, які визначають стать кольору. Стрілочки у формі літери «Т» позначають переважну дію одного гена на інший та на органи квітки. Carpel — гінецей (сукупність жіночих статевих органів квітки), Stamen — тичинки. Ліворуч — схема розвитку чоловічих квіток, у центрі — жіночих, праворуч — квіток-гермафродитів. Схема з обговорюваної статті в Science

Схема виявилася не надто складною, і, знаючи її структуру, дослідникам вдалося створити в однодомних рослин штучну двудомність — тобто отримати рослини жіночої та чоловічої статей. Для цього вони схрестили рослини з дефектними алелями ACS11 і CmWIP1 з рослинами, гетерозіготними за геном CmWIP1. Вийшло, що в однієї половини нащадків був робочий варіант гена CmWIP1, а в іншої його не було. При цьому в жодного з них не було робочого варіанту гена ACS11, що керує активністю CmWIP1. Вийшло, що у тієї половини нащадків, якій дістався робочий варіант CmWIP1, розвинулися тільки чоловічі квітки, а у тієї, що не отримала працездатного варіанту цього гена, квітки були тільки жіночими.

Знаючи, де саме в бутоні, що розвивається, повинні бути активні гени, що керують підлогою квітки, в майбутньому можна буде змінювати стать окремих квіток рослини, прицільно працюючи з генами певних бутонів.

Цікаво, що рослини, які освоюють нове середовище проживання, можуть і самі підлаштовувати свою статеву систему під мінливі обставини. Наприклад, відомо, що на Гавайських островах частка двудомних рослин у кілька разів вища, ніж у континентальній флорі. Вчені вважають, що історія сучасної гавайської флори почалася з рослин-гермафродитів, які не володіли ефективними бар’єрами проти самоопиління. Самоопилення можна розглядати як приклад близькородного схрещування, і, звичайно, воно погано позначається на генетичному добробуті популяції. Немає хороших бар’єрів проти самоопиління — доводиться перетворюватися з гермафродитів на «самців» і «самок». Мабуть, це і стимулює перехід до роздільнополого існування від гермафродитизму, який в загальному випадку значно спрощує рослинам пошук статевого партнера.

Джерело: A. Boualem, C. Troadec, C. Camps, A. Lemhemdi, H. Morin, M.-A. Sari, R. Fraenkel-Zagouri, R. Perl-Treves, A. Bendahmane. A cucurbit androecy gene reveals how unisexual flowers develop and dioecy emerges // Science. 2015. V. 350. P. 688–691.

Юлія Кондратенко