Международная исследовательская группа добилась значительного прорыва в изучении размножения шиповника. Исследование, которое было опубликовано в журнале Nature, показывает, как различия в размерах центромер — центральных участков стыковки хромосом — играют решающую роль в необычном наследовании хромосом у этих растений.
Долгосрочные перспективы
В перспективе результаты могут открыть новые возможности для создания более устойчивых сельскохозяйственных культур.
Исследование проводилось под руководством доктора Андре Маркеса из Института исследований растениеводства Общества Макса Планка в Кёльне, профессора доктора Кристиан Ритц из Музея естественной истории Зенкенберга в Гёрлице и доктора Алеша Коваржика из Института биофизики Чешской академии наук.
Шиповник (Rosa canina)
Шиповник (Rosa canina) — самая распространённая дикая роза в Центральной Европе. Его плоды, известные как «шиповник», используются в самых разных целях — от приготовления фруктовых чаёв до производства «порошка от зуда».
«Это растение не только красиво и полезно, но и развило особую форму размножения», — объясняет профессор доктор Кристиан Ритц из Музея естественной истории Зенкенберга в Гёрлице.
Особенности размножения
У большинства растений и животных по два набора хромосом, а у шиповника — пять. Это усложняет их размножение. Нечётное количество наборов хромосом часто приводит к бесплодию у многих растений, поскольку хромосомы не могут быть равномерно спарены и распределены во время мейоза — процесса формирования половых клеток.
Однако в ходе эволюции шиповник выработал гениальное решение, которое позволяет растению размножаться половым путём. В так называемом мейозе Канина или сбалансированной гетерогамии регулярно спариваются и передаются через яйцеклетки и пыльцу только два из пяти наборов хромосом растения. Остальные три набора остаются неспаренными, так называемыми унивалентами, и передаются исключительно через яйцеклетку — без изменений.
«Таким образом, растение сочетает в себе половое и клональное размножение», — объясняет доктор Андре Маркес из Института исследований растениеводства Общества Макса Планка в Кёльне.
Хотя эта репродуктивная система известна уже более 100 лет, о механизмах этого метода было известно немного. Роль центромер — центральных участков хромосом, важных для распределения во время деления клеток — также была неясна.
В ходе исследования учёные изучили геномы пентаплоидных шиповников — растений с пятью полными наборами хромосом — в высоком разрешении вплоть до уровня отдельных наборов хромосом и их происхождения.
Цель исследователей
Целью исследователей было выяснить, что позволяет шиповникам целенаправленно транспортировать свои неспаренные хромосомы в яйцеклетку — процесс, который до сих пор был не до конца понятен. Учёные нашли ответ в структуре центромер — участках ДНК, к которым прикрепляются волокна веретена во время деления клеток. Волокна веретена являются частью аппарата веретена, который перемещает хромосомы во время митоза и мейоза, обеспечивая равномерное распределение хромосом между дочерними клетками.
«Наш анализ трёх различных видов пентаплоидных шиповников показал, что унивалентные хромосомы имеют поразительно большие центромеры с многократными повторениями специфической для розы последовательности ДНК», — говорит доктор Алеш Коваржик из Института биофизики Чешской академии наук.
Это означает, что размер центромеры может быть решающим фактором в обеспечении сохранения определённых хромосом во время асимметричных делений клеток. «Регулируя размер и силу центромер, эти растения могут буквально влиять на то, какие хромосомы будут унаследованы», — добавляет Маркес.
«Одновременное сосуществование полового и клонального размножения в одном геноме, контролируемое различиями в структуре центромер, — это удивительный биологический механизм», — говорит Ритц.
Открытие не только даёт новое представление об увлекательном мире генетики растений, но и имеет практическое значение для селекции. Многие культивируемые растения имеют более двух наборов хромосом. Это делает их размножение подверженным ошибкам, но также может принести такие преимущества, как повышенная устойчивость.
Лучшее понимание размножения шиповника может помочь целенаправленно использовать эти преимущества и стабилизировать фертильность полиплоидных видов растений.
Маркес заключает: «В долгосрочной перспективе наши выводы могут открыть новые возможности для создания более устойчивых сельскохозяйственных культур».