Исследователи из Института генетики растений имени Лейбница (IPK) обнаружили ранее неизвестный белок, который играет ключевую роль в размножении растений. Белок SCEP3 позволяет растениям смешивать и точно распределять свои хромосомы — носители генетической информации — во время мейоза. Этот процесс имеет решающее значение для поддержания генетического разнообразия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Plants.
Мейоз — ключевой процесс для полового размножения
Мейоз — это процесс, в результате которого образуются половые клетки с уменьшенным набором хромосом (пыльцевые зёрна и яйцеклетки у растений), которые затем сливаются во время оплодотворения, образуя потомство с исходным числом хромосом. В начале мейоза также происходит рекомбинация (взаимный обмен между родительскими гомологичными хромосомами), что имеет решающее значение для генетического разнообразия.
Центральной структурой во время мейоза является так называемый синаптонемный комплекс. Это своего рода «молния», состоящая из белков, которая удерживает гомологичные хромосомы вместе и обеспечивает обмен генетическим материалом. Эти обмены (кроссинговеры) важны, поскольку они перемешивают гены и тем самым обеспечивают генетическое разнообразие потомства. Однако их количество и распределение по хромосомам ограничены, что ограничивает возможную генетическую вариативность при селекции.
Роль белка SCEP3 в мейозе
Ранее было идентифицировано только три белка — ZYP1, SCEP1 и SCEP2, — которые являются важными компонентами этого комплекса у модельного растения Arabidopsis thaliana. Ничего не было известно о дополнительных белках и их роли и функциях. Недавно обнаруженный белок SCEP3 также принадлежит к этому комплексу и расположен в его центре.
Чтобы исследовать функцию SCEP3, исследователи создали специфические мутантные растения Arabidopsis, используя точную технологию редактирования генома CRISPR/Cas9. С помощью микроскопии высокого разрешения они смогли визуализировать точное положение SCEP3 в синаптонемном комплексе и отследить его взаимодействие с другими белками.
Кроме того, у потомства этих мутантов наблюдалось увеличенное число и случайное распределение событий рекомбинации. Также не было различий в количестве кроссинговеров между мужскими и женскими половыми клетками — обычно количество кроссинговеров у самок Arabidopsis thaliana ниже, чем у самцов.
«Мы обнаружили, что SCEP3 является важнейшим компонентом синаптонемного комплекса. Он эволюционно консервативен у растений, и без SCEP3 комплекс не может сформироваться», — объясняет доктор Чао Фэн, первый автор исследования. Однако недавно обнаруженный белок играет не только решающую роль в его формировании. «Наши результаты показывают, что SCEP3 также существенно влияет как на распределение, так и на количество кроссинговеров», — добавляет он.
«Исследование расширяет наши знания о сложных механизмах мейоза и генетической рекомбинации, которые имеют решающее значение для эволюции и разнообразия жизни. Поскольку SCEP3 эволюционно консервативен, это указывает на аналогичные функции у других видов растений и даже у других организмов», — объясняет доктор Стефан Хекманн, руководитель независимой рабочей группы «Мейоз» в IPK.
«Лучшее понимание того, как контролируется формирование кроссинговеров, позволит селекционерам более целенаправленно разрабатывать новые сорта с благоприятными признаками. Это в конечном итоге может помочь адаптировать сельскохозяйственные культуры к изменению климата, повысить их устойчивость к болезням и вредителям, а также увеличить урожайность», — заключают исследователи.
Предоставлено Институтом генетики растений имени Лейбница.