Группа ученых во главе с Вольфом Фроммером из Карнеги обнаружила, что белок SWEET4, транспортирующий сахар в кукурузе и рисе, необходим для успешного заполнения семян, а также демонстрирует изменения генома, указывающие на одомашнивание человеком. Новое исследование опубликовано в Nature Genetics.Эндосперм растений был важным фактором в установлении мутуалистических отношений с людьми — чтобы облегчить их выживание и распространение, культурные растения разработали более крупные рюкзаки, чтобы обеспечить постоянную полезность для людей.
Не зная, какие варианты генов вносят вклад в полезные свойства, люди просто выбирают лучшие растения для дальнейшего выращивания, в данном случае выбирая растения с большими рюкзаками. Это управляемый человеком эволюционный отбор, который произошел со всеми нашими культурными растениями, поскольку дикорастущие растения превращались во все более и более полезные и питательные разновидности.Теперь, используя современные молекулярно-генетические методы, ученые могут увидеть, какие варианты генов фактически отбирались в ходе этого процесса, и среди них был SWEET4.
Предки современной кукурузы, выращиваемой сегодня на больших площадях в США и во всем мире, имели гораздо меньшие размеры эндосперма. Считается, что размеры семян для многих видов зерна были увеличены из-за селективного давления при одомашнивании сельскохозяйственных культур. Более крупные семена с большим содержанием сахара, такие как зерна кукурузы, были более привлекательными для земледельцев из-за их питательной ценности и способности давать более прочные саженцы.
Но прямая связь между биохимией процессов заполнения семян и одомашниванием долгое время оставалась неуловимой.Фроммер и его лаборатория много работали над семейством транспортеров сахара SWEET, которые играют несколько ключевых ролей в растениях, включая производство нектара и транспортировку сахара из листьев в другие ткани.
Они также обнаружили, что СЛАДОСТИ делают растения восприимчивыми к захвату патогенными микроорганизмами, которые крадут запасы энергии растений, прежде чем они могут быть доставлены к семенам.Как было сделано это замечательное новое открытие? Несколько лабораторий внесли свой вклад.
Команда Фроммера проанализировала гены кукурузы, участвующие в процессах, связанных с сахаром, чтобы найти те, которые «включаются» во время развития семян. Они нашли 16 кандидатов, среди которых явно выделялся один. Ген SWEET4c, кодирующий белок-переносчик сахара в кукурузе, был показан группой Прем Чоури из Университета Флориды как специфически экспрессируемый в семенах кукурузы и имел доказательства отбора в результате одомашнивания.
Доказательства того, что ген SWEET4c был выбран во время одомашнивания, были обнаружены командой Джеффа Росс-Ибарра из Калифорнийского университета в Дэвисе при сравнении последовательностей SWEET4 современной кукурузы с ее диким предком Теосинте. Если в современных версиях вариабельность последовательности определенного гена значительно снижена, это считается признаком того, что она была сформирована селективным давлением одомашнивания.Команда обнаружила, что SWEET4c становится очень активным — что означает, что он производит белок SWEET4c — как раз в то время, когда импорт сахаров в семя максимален, между 10 и 17 днями после опыления семян.
«Мы считаем, что когда первые фермеры выбирали более крупные семена для еды и посадки, они подсознательно выбирали для увеличения импорта сахара в эти семена с помощью SWEET4c», — пояснил ведущий автор исследования Давиде Соссо из Карнеги. «Это потому, что семена, содержащие больше сахара, были крупнее и питательнее».Важным прорывом в этом исследовании стало открытие, что SWEET4c абсолютно необходим для наполнения семян. Без рабочей версии гена, кодирующего SWEET4c, например, в мутантных линиях, предоставленных ресурсом UniformMu (Дон Маккарти и Карен Кох из Университета Флориды), сахар не доставлялся к семенам, и рюкзак был пуст (на научном жаргоне) : околоплодник пустой).К счастью, важность исследования выходит за рамки урожайности кукурузы.
Авторы обнаружили, что соответствующий ген в рисе также имеет решающее значение для наполнения семян и показывает независимые признаки отбора фермерами и селекционерами.«Наша работа показывает, что SWEET4 может быть многообещающей целью для создания сортов кукурузы, риса и других культур», — сказал Бинг Ян из Университета штата Айова, команда которого выполнила все исследования риса.Когда ученые разрабатывают новое лекарство, им необходимо работать с фармацевтической промышленностью, чтобы провести обширные испытания, чтобы в конечном итоге довести его до потребителей. Точно так же ученым-растениям необходимо работать с промышленностью, чтобы полностью изучить потенциал открытия.
Таким образом, команда начала сотрудничество с Syngenta AG, чтобы найти способы повышения урожайности за счет разработки процессов транспортировки сахара, которые, несмотря на их важность, в настоящее время плохо изучены.