Многие цветковые растения способны распознавать и отвергать собственную пыльцу, тем самым предотвращая инбридинг, несмотря на гермафродитную природу растений. Этот механизм представляет собой сложный признак, который включает взаимодействие гена, который маркирует пыльцу с молекулой-идентификатором, и гена, который производит молекулу, способную обнаруживать пыльцу, производимую одним и тем же растением.Эволюционные биологи часто утверждали, что если комплексные черты потеряны, их редко можно восстановить. Но новое исследование, проведенное биологами из Университета Макгилла и опубликованное в журнале PLOS Biology, предполагает, что это может не относиться к распознаванию собственной пыльцы.
В эволюционной линии, ведущей к роду Leavenworthia (группа растений, относящаяся к рапсовым и капустным культурам, таким как брокколи и капуста), наследственные гены, кодирующие само распознавание пыльцы, были потеряны. Но функция распознавания собственной пыльцы у Leavenworthia, по-видимому, была взята на себя двумя другими генами, которые изначально могли играть иную роль — например, в распознавании патогенов.
«Самонесовместимость», система распознавания пыльцы, которая позволяет растениям избегать инбридинга, вызванного самоопылением, включает пару тесно связанных генов, известных как S-локус. В этом исследовании исследователи проанализировали последовательность генов, организацию генома и историю эволюции генов S-локусов у представителей семейства Brassicaceae, в которое входят растения рода Leavenworthia.
«Мы пришли к выводу, что оба гена, составляющие предковый локус S у Brassicaceae, были потеряны в Ливенвортии», — говорит исследователь Макгилла Сиер-Чинг Чанта, ведущий автор исследования. Однако наш анализ показывает, что у растений этого рода есть еще два сцепленных гена, которые проявляют паттерны, характерные для локуса S. Эти гены занимают ту же геномную позицию у Leavenworthia, что и два гена, не относящиеся к S-локусу, у родственных видов. Мы предполагаем, что эти гены эволюционировали, чтобы взять на себя функцию самонесовместимости системы распознавания пыльцы у Ливенвортии ».Как растения избегают инбридинга, и связанная с этим тема эволюции локуса S были важными предметами исследований для биологов растений.
В отдельных популяциях растений могут быть сотни вариантов одного S-локуса — очень необычная ситуация. В животном мире похожий феномен — это множество вариаций генов иммунной системы. Гены иммунной системы животных, такие как локус S у растений, также участвуют в распознавании, хотя в случае иммунных генов распознаются чужеродные антигены, а не типы пыльцы.
Похоже, что функция распознавания может действовать в обеих системах, обеспечивая эволюцию большого количества генетического разнообразия.«Франсуа Жакоб, известный французский биолог, однажды сравнил действие естественного отбора с действием ремесленника, который использует окружающие его материалы для создания рабочего объекта», — отмечает профессор биологии Макгилла Дэниел Шон, автор исследования. «Эволюция генов, участвующих в распознавании собственной пыльцы у Leavenworthia, является убедительным примером этой идеи и подтверждает идею о том, что потеря сложных черт не всегда может быть необратимой».Другими соавторами исследования являются Адам К. Херман и Адриан Э. Платтс из Департамента биологии Макгилла и Ксавье Векеманс из Университета Лилля 1 во Франции.
Исследование было поддержано Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям, Genome Canada, Genome Quebec и французским Agence Nationale de la Recherche.