Успех растения может зависеть от того, насколько хорошо взаимодействуют три набора генетических инструкций, которые оно несёт в своих клетках, согласно новому исследованию под руководством учёных-ботаников из Пенсильванского государственного университета.
В ходе анализа гибридов двух перекрёстно скрещённых видов деревьев исследователи обнаружили, что два набора генов, унаследованных от разных видов, могут плохо сочетаться друг с другом. Это нарушает способность растения поглощать свет для фотосинтеза и усваивать ключевые питательные вещества. Однако, когда комбинация унаследованных генов лучше совпадает, такие растения могут лучше адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды.
Результаты исследования
Авторы исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the Royal Society B, отмечают, что их работа может помочь в селекции растений, чтобы создавать более устойчивые к изменению климата виды.
Они сосредоточились на двух из трёх наборов генетических инструкций, или геномах: один находится в ядре клетки, а другой — в хлоропласте, органелле, необходимой для фотосинтеза. Третий геном находится в митохондриях, которые имеют решающее значение для клеточного дыхания, но команда не включила его в свой анализ, поскольку исследование было сосредоточено на фотосинтетической активности.
«Различные компоненты генома растения — его генетический материал — работают вместе, чтобы поддерживать его нормальное функционирование. И когда два разных вида или популяции скрещиваются или гибридизуются, эта координация может нарушиться», — сказала первый автор исследования Мишель Завала-Паес, докторант Межвузовской программы последипломного образования в области экологии Пенсильванского государственного университета.
Она объяснила, что когда ядерный и хлоропластный геномы эволюционировали отдельно у разных видов, их «командная работа» может быть неэффективной в гибридах и привести к так называемому «цитоядерному несоответствию».
Методы исследования
Исследование проводилось под руководством старшего автора исследования Джилл Гамильтон, доцента Колледжа сельскохозяйственных наук Пенсильванского государственного университета, директора Центра молекулярной генетики деревьев им. Шаца и научного руководителя Завалы-Паес.
Команда собрала вегетативные черенки — ветви, которые могут отрастить корни и побеги — с 574 различных деревьев в естественной гибридной зоне между чёрным тополем и бальзамическим тополем в географическом районе, простирающемся от Аляски до юго-востока через территорию Юкон в Канаде, Британскую Колумбию и Альберту, а также через штаты США Вашингтон, Айдахо, Монтана и Вайоминг.
В этом регионе исследователи выявили шесть различных контактных зон восток-запад, где два вида естественным образом гибридизуются. Черенки были отправлены в Блэксбург, штат Вирджиния, где сотрудники Виргинского политехнического института размножили их в контролируемых условиях теплицы.
Исследователи извлекли ДНК и проанализировали геномы размноженной растительности, захватив как целые ядерные, так и хлоропластные геномы. Секвенирование геномов такого количества гибридных деревьев и анализ огромного объёма генетических данных, собранных в ходе этого исследования, были бы невозможны, отметила Гамильтон, без огромной вычислительной мощности кластера Roar Collab, высокопроизводительного вычислительного центра, управляемого Институтом вычислительных наук и наук о данных в Пенсильванском государственном университете.
Команда также отправила размноженный материал в полевые лаборатории в Вирджинии и Вермонте, где саженцы использовались для проведения экспериментов в общем саду. Выращивание генетически идентичных деревьев со смешанным генетическим происхождением в разных условиях позволило команде оценить, как различные взаимодействия между ядром и хлоропластом влияют на здоровье растений, включая фотосинтетические характеристики и использование питательных веществ, критически важных для жизнеспособности растений.
Исследователи хотели определить, когда происходит гибридизация, имеют ли тенденцию оставаться вместе гены в ядре и хлоропласт-геноме, которые эволюционировали вместе. Кроме того, они стремились понять, влияют ли несоответствия между ядерным и хлоропластным происхождением на производительность растений в различных условиях окружающей среды.
В целом исследователи обнаружили, что хлоропластный геном и ядерные гены, которые взаимодействуют с ним, не всегда оставались вместе в гибридных зонах. Однако в определённых местах, где наблюдались крутые экологические градиенты, включая переход от более тёплых и влажных морских условий, связанных с прибрежной средой, к более холодным бореальным условиям, как в горах Скалистых в северо-западной Канаде, местные условия окружающей среды, по-видимому, отбирали гены, которые эволюционировали вместе.
Исследователи также обнаружили, что когда хлоропластное происхождение дерева не соответствовало его ядерному происхождению, его физиологические показатели могли меняться — иногда в лучшую, иногда в худшую сторону — в зависимости от среды, в которой оно росло. Например, деревья, у которых хлоропластный и ядерный геномы не совпадали, как правило, демонстрировали более низкую фотосинтетическую эффективность, что означает, что они были менее эффективны в преобразовании солнечного света в полезную энергию. Этот эффект наблюдался в разных условиях окружающей среды, но усиливался в более тёплой среде Вирджинии.
Исследование предлагает новое понимание того, как растения эволюционируют и как учёные могут помочь им справиться с вызовами потепления мира, по словам Гамильтон, которая в настоящее время является научным сотрудником Института наук о жизни им. Хака при Пенсильванском государственном университете.
«Понимание того, какие комбинации геномов работают лучше всего, может помочь программам селекции в создании более устойчивых растений и сохранении биоразнообразия в быстро меняющемся климате», — сказала Гамильтон. «Исследование показывает, что взаимодействие между ядерным и хлоропластным геномами влияет на то, насколько хорошо функционируют гибридные растения, и что контекст этих взаимодействий может усиливать, ослаблять или даже обращать вспять последствия генетических несоответствий».
Другие новости по теме
- Исследование рассматривает роль нейтрофилов в атопическом дерматите у собак
- Учёные обнаружили грибок, убивающий токсичные водоросли, угрожающие здоровью человека
- Генетический трюк даёт древесным крысам эволюционное преимущество перед ядом гремучих змей.
- Модель показывает компромиссы, ограничивающие вред, наносимый паразитом малярии
- Подробная карта клеток раскрывает тайны формирования репродуктивных органов
- У берегов Кейп-Кода на берег выбросило мёртвых акул и скатов-торпедо
- Смещение данных снижает надёжность моделей ИИ, прогнозирующих устойчивость к противомикробным препаратам
- Исследователи используют виртуальную реальность для обучения в классе
- Как наиболее многочисленные бактерии океана делятся на экологически различные группы
- Питательные грибные белки из растительных остатков: вкусное решение для веганов и вегетарианцев
Другие новости на сайте
- Учёные выяснили, как микробные консорциумы разрушают лигнин
- Ответы членов конгресса США на случаи массовых расстрелов различаются в зависимости от партийной принадлежности
- Исследование рассматривает роль нейтрофилов в атопическом дерматите у собак
- Сверхпроводящее кварковое вещество цвета может объяснить стабильность массивных нейтронных звёзд
- Прислушивайся к бабушке — жизнь — это не игра с нулевой суммой.
- Почему большинство экзопланет — миры магмы
- Учёные обнаружили грибок, убивающий токсичные водоросли, угрожающие здоровью человека
- Meta выпустила SAM Audio: передовую унифицированную модель для разделения аудио
- Генетический трюк даёт древесным крысам эволюционное преимущество перед ядом гремучих змей.
- Где процветают дикие существа: поиск и защита природных убежищ от изменения климата