Ещё Чарльз Дарвин замечал, что количество мужских гамет (для растений это пыльца, для животных — сперматозоиды) весьма изменчиво у разных особей и видов. На первый взгляд производство большего количества мужских гамет кажется эволюционно выгодной стратегией, ведь самцы должны конкурировать, стараясь произвести больше потомства. Однако у многих одомашненных видов наблюдается уменьшенное количество мужских гамет.
Теоретически снижать производство мужских гамет выгодно в условиях, когда уровень самооплодотворения или инбридинга высок и для успешного размножения достаточно и меньшего их числа.
Геномный анализ самооплодотворяющегося растения
Международное исследование под руководством профессора Цюрихского университета (University of Zurich, UZH) Кентаро Симидзу (Kentaro Shimizu) показывает, что сокращение количества пыльцы не обязательно вредно, и даже выгодно для самооплодотворяющихся видов.
«До сих пор было мало доказательств в поддержку этой идеи, потому что производство мужских гамет — сложный признак, на который влияют многие гены с небольшими эффектами, и его молекулярная основа осталась неизвестной», — говорит Кентаро Симидзу.
Изучалось хорошо известное модельное растение — резуховидка Таля Arabidopsis thaliana, или арабидопсис. Арабидопсис как модельный организм в основном самоопыляется, пыльцевых зёрен у него меньше, чем у его родственников в дикой природе.
В ходе исследования изучалось 144 генетически разнообразных растения и обнаружена вариативность по количеству пыльцевых зёрен на цветок — от 2000 до 8000. Затем сравнивалась генетическая информация, требовалось найти различия между растениями с высоким и низким количеством пыльцы.
Ген RDP1 контролирует производство пыльцы
Полногеномный поиск ассоциаций выявил один ген, влияющий на количество пыльцы, производимой растением. Ген получил имя — REDUCED POLLEN NUMBER1 (RDP1), ген сокращения пыльцы номер 1.
С помощью технологии CRISPR-Cas9 исследователи создали несколько мутантных вариантов гена RDP1, в растениях как с высоким, так и с низким количеством производимой пыльцы. Они скрещивали мутировавшие растения друг с другом и подсчитывали пыльцу, производимую гибридным потомством.
«Эксперименты подтвердили тонкий, но значительный эффект гена RDP1», — говорит соавтор работы, Мисако Ямадзаки (Misako Yamazaki). Сравнение с другими организмами показало, что ген кодирует фактор, способствующий построению рибосом — «клеточных фабрик» для производства белка.
Меньше пыльцы — больше приспособленности
Далее было интересно выявить, является ли снижение количества пыльцы фактором положительного отбора или произошло случайно. Использовался статистический метод, позволивший получить представление об эволюции гена RDP1 в модельных растениях, отличающихся по количеству производимой пыльцы. Результаты показали, что признак пониженного количества пыльцы действительно поддерживался положительным отбором.
Отбор по количеству пыльцы был очень сильным, даже в сравнении с такими признаками, как устойчивость к болезням и реакциями на изменения окружающей среды. Это подтверждает важность производства определённого количества пыльцы для репродуктивного успеха.