Богатство генов для улучшения семян обнаружено у «живых ископаемых»

от

Семе́йные растения играют ключевую роль как источник пищи, топлива, лекарств и прочего. Междисциплинарная группа исследователей объединила глубокие ботанические знания с мощными геномными технологиями, чтобы расшифровать и изучить ДНК нецветковых семенных растений и обнаружить гены, которые эволюционировали, помогая растениям формировать семена.

Эти результаты, [опубликованные в Nature Communications][1], могут помочь учёным улучшить производство семенных культур в сельском хозяйстве и сохранить эти древние, находящиеся под угрозой исчезновения семенные растения.

В этом исследовании, проведённом членами Нью-Йоркского консорциума геномики растений — многопрофильного сотрудничества ботаников, эволюционных и геномных учёных и биоинформатиков, — учёные выделили и изучили гены семян, закодированные в геномах древнейших живых семенных растений: голосеменных.

Голосеменные, к которым относятся хвойные и гинкго, несут «голые» семена, не защищённые плодом, и являются одной из наиболее угрожаемых групп растений. Многие голосеменные — это «живые ископаемые», термин, введённый Дарвином для обозначения их существования на Земле со времён динозавров.

«Теперь, когда учёные могут секвенировать любой геном, вопрос заключается в том, какие виды секвенировать и почему?» — сказала Глория Коруцци, профессор биологии в Нью-Йоркском университете (NYU) и Центре геномики и системной биологии.

«Изучая голосеменные — виды, у которых впервые эволюционировали семена и которые составляют 30% лесов мира, — мы определили гены, поддерживающие эволюцию семян», — добавила она.

«Основываясь на наших исследованиях по реконструкции [эволюционного дерева][2] жизни голосеменных, мы знаем, какие виды исследовать, где их собирать и как выращивать их для выяснения происхождения и развития их уникальных структурных компонентов, таких как семя», — сказал Деннис Стивенсон, старший заслуженный куратор Нью-Йоркского ботанического сада (NYBG).

Исследователи NYBG собрали развивающиеся семена, называемые семяпочками, и листья с 14 различных голосеменных и четырёх цветковых растений, а также споры с двух видов папоротников, которые не производят семена, для сравнения.

В сотрудничестве с Лабораторией Колд-Спринг-Харбор (CSHL) они извлекли транскрипты из этих образцов и использовали мощные технологии секвенирования ДНК. Команда Центра геномики и системной биологии NYU собрала более 586 000 генов для этих видов, создав крупнейшую на сегодняшний день коллекцию транскриптомов семяпочек голосеменных.

«Это исследование подчёркивает силу биоразнообразия в ответах на фундаментальные вопросы», — сказала Барбара Амброуз, куратор геномики растений и директор лабораторных исследований в NYBG.

Чтобы определить, как эти гены играют роль в развитии семян, исследователи NYU использовали новый двунаправленный анализ, сочетающий [эволюционную историю][2] с [данными об экспрессии генов][3], используя вычислительный кластер NYU с высокой производительностью.

Создав эволюционное дерево этих 20 видов в масштабе генома, учёные определили более 22 000 генов, содержащих информацию об истории этих семенных растений. Более того, они впервые заметили, что основные эволюционные изменения в истории развития семенных растений обусловлены отбором генов, экспрессия которых меняется в процессе развития листьев и семяпочек у семенных растений.

Исследовательская группа в конечном итоге обнаружила 4 076 генов-кандидатов, которые, вероятно, играли специфическую роль в эволюции семян, включая гены у модельных видов, функция которых ранее была неизвестна.

«Модельные растения — это виды, геномы которых были тщательно изучены для ответа на фундаментальные научные вопросы», — сказала Вероника Сондерван, которая возглавляла филогеномический анализ в NYU и проводила исследования на растениях в NYBG.

«То, что мы всё ещё можем обнаружить новые функции для этих генов у модельных видов, используя информацию из геномов этих ранних [семенных растений][4], очень интересно», — добавила она.

Чтобы подтвердить, играют ли вновь идентифицированные гены функциональную роль в развитии семян, команда NYBG провела эксперименты на нескольких голосеменных. В одном примере они проверили, как два гена-кандидата экспрессировались в семяпочках голосеменного растения — тиса Taxus baccata, впервые описанного в 1753 году Карлом Линнеем в его [«Species Plantarum»][5].

Тис примечателен уникальными красными чашевидными «плодами», которые окружают его семена, называемыми ариллами — единственным нетоксичным органом в растении, который едят птицы для распространения семян.

Результаты подтвердили эволюционное значение этих генов в распространении семян, показав, что гены экспрессировались на протяжении всего развития семяпочек. Они также продемонстрировали различия в паттернах экспрессии по сравнению с другими видами голосеменных, включая экспрессию в уникальных ариллах.

Это говорит о том, что изменения в последовательностях развития регулируемых генов могут играть важную роль в создании структур семян для улучшения распространения и способствовать выживанию в эволюции растений.

«Этот генетический ресурс для понимания развития семян у различных видов растений может не только помочь учёным улучшить характеристики семян у различных культур, но и предоставить инструменты для защиты и размножения растений, находящихся под угрозой исчезновения, включая эти ценные живые ископаемые», — отмечает Сондерван.

[1]: https://www.doi.org/10.1038/s41467-025-65399-3
[2]: https://phys.org/tags/evolutionary+tree/
[3]: https://phys.org/tags/gene+expression+data/
[4]: https://phys.org/tags/seed+plants/
[5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Species_Plantarum

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте