Плодородные мутанты

Мягкая пшеница — важный сельскохозяйственный злак, урожайности которого уделяется большое внимание, ведь около 20 % потребляемых калорий люди получают именно из пшеницы. В ее генах зачастую происходят различные мутации, в том числе влияющие на число зерен в колосе. Подобные метаморфозы можно обратить в свою пользу, исследованием чего и занимаются ученые из ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН.

Мягкая (или хлебная) пшеница активно используется в пищевой промышленности: для приготовления хлебобулочных изделий, солода, отрубей, крахмала. Соцветием данного злака является колос: он состоит из главной оси, а к ней, в свою очередь, присоединяются колоски. Они же содержат не видные глазу цветки, которые дают начало зерновкам. Особенности строения колоса определяют как число, так и вес зерен, потому изучение влияющих на архитектуру соцветия факторов значимо для повышения урожайности этой сельскохозяйственной культуры.

Как биологический вид мягкая пшеница отличается большой экологической пластичностью — способностью существовать в различных средах, оказывающих какое-либо воздействие на организм. В мире известно более 25 000 экотипов (совокупностей однородных популяций в пределах того же вида), произрастающих в умеренных широтах. Геном пшеницы огромен, его размер на порядки превышает размеры генома риса и кукурузы.

В норме колоски пшеницы располагаются двумя параллельными рядами вдоль оси колоса, а само соцветие не ветвится, как, например, у риса: в противном случае это уже отклонение. Однако такие изменения могут быть даже полезными, а потому ученые ФИЦ ИЦиГ СО РАН исследуют генетическую регуляцию развития соцветия пшеницы. Они работают на материале коллекции мутантов, появившихся как благодаря природному спонтанному мутационному процессу, так и в результате индуцированного (химического, радиоактивного) мутагенеза в лабораторных условиях.

— Нас интересуют аномалии в развитии соцветия, связанные с формированием колоска и цветка, — рассказывает кандидат биологических наук Оксана Борисовна Добровольская.

— Исследуя строение соцветия, мы поделили образцы нашей коллекции на несколько групп, каждая из которых характеризуется определенными особенностями развития.

В первой, самой большой группе, вместо цветков развиваются колоски, и в результате формируется колос нестандартного типа — многоколосковый. У второй образуются дополнительные (так называемые вертикальные) колоски — один над другим. В третьей только часть цветков развивается по стандартной схеме, а часть заменена колосками. В последней же удлиняется ось колоскового стержня — то есть ее рост становится индетерминированным (не останавливается), а также появляются дополнительные органы — сверхчисленные чешуи, закрывающие колоски.

— Группы различаются особенностями развития и генами, которые эти особенности определяют, — поясняет исследовательница. — Мы уже выделили ген, отвечающий за изменения в первой группе, а австралийские ученые — во второй. Для этого проводились комплексные исследования: на молекулярно-генетической карте, которая показывает расположение генов, молекулярных ДНК-маркеров, а также расстояния между ними на хромосоме, определялось положение гена, контролирующего многоколосковое соцветие. Затем, основываясь на сходстве структурной организации хромосом злаков, был определен влияющий на такие изменения ген-кандидат.

Дело в том, что все современные злаки произошли от общего предка — потому у их хромосом сходное строение. Если известно точное расположение какого-либо гена на молекулярно-генетической карте одного вида, а также выявлено, что изучаемая область не подвергалась перестройкам в процессе эволюции, можно предположить наличие гена с такой же структурой и функциями у других видов. В частности, это возможно сделать у злаков, чей геном к настоящему времени наиболее изучен — например, риса. В исследовании ученых ИЦИГ СО РАН таким геном-кандидатом оказался FRIZZY PANICLE — его мутации вызывают формирование колосков вместо цветков у риса. Предположительно, у пшеницы есть ген с такими же функциями.

— Так как геном пшеницы состоит из трех близкородственных субгеномов, надо было определить последовательность ДНК гена-кандидата в каждом из них, — рассказывает Оксана Добровольская. — В результате один геном оказался функционально неактивен из-за перестроек в регуляторной области гена, а в остальных двух мутации все-таки вызвали нарушения перехода от одной стадии развития к другой. Выходит, FRIZZY PANICLE определяет установление идентичности меристем (образовательных тканей растения) цветка, а его мутации могут стать причиной изменений в развитии и их внешнего проявления — того самого развития колосков вместо цветков.

Вслед за этим ген FRIZZY PANICLE был выделен в геноме пшеницы тучной — c тетраплоидным (состоящим из двух субгеномов) геномом. В отличие от мягкой пшеницы, у тучной широко распространены многоколосковые ветвистые формы. Было показано, что причиной появления ветвистости независимо от места произрастания является одна и та же мутация гена FRIZZY PANICLE. Сибирские ученые выяснили: она передалась и другому виду тетраплоидной пшеницы — твердой — при спонтанной гибридизации.

После исследователи перешли к третьей, менее изученной группе со схожим (как у первой) фенотипом. В обоих случаях вместо цветков формировались колоски, но в первом изменялись все цветки, а в другом преобразования происходили только в верхней области колоска.

— Фенотип третьей группы определяется другим, уже известным геном — SHAM RAMIFICATION2, — поясняет Оксана Добровольская. — Так что мы подумали: раз мутации FRIZZY PANICLE и SHAM RAMIFICATION2 вызывают сходные проявления, возможно эти гены имеют и общие функции? Чтобы проверить вероятное взаимодействие, применялся классический анализ: исследователи скрестили образцы тетраплоидных видов пшеницы из обеих групп и проанализировали фенотип их потомков.

Оказалось, что гены пшеницы FRIZZY PANICLE и SHAM RAMIFICATION2 независимо наследуются и принадлежат разным генетическим путям регуляции (то есть участвуют в регуляции разных процессов при развитии). Неожиданной находкой стало выявление других, еще не изученных генов или гена, которые наряду с FRIZZY PANICLE определяют ветвистость колоса тучной пшеницы. Совсем другими экспериментами к выводу о существовании этих генов пришли китайские ученые.

Попытки переносить ген, определяющий фенотип первой группы, в коммерческие сорта пшеницы для повышения урожайности продолжаются до сих пор, но существенных результатов получить пока не удалось. Вероятно, исследователям не хватает знаний о других генах, которые в комплексе с изученными регулируют развитие колоса пшеницы. А вот линии из другой группы мягкой пшеницы — с повышенной фертильностью цветков и озерненностью колоска — уже можно использовать в современной селекции как донора полезных признаков.

— Нельзя говорить, что все мутации генов, регулирующих развитие, вредны или, наоборот, полезны — есть еще и нейтральные, — заключает исследовательница. — Однако именно спонтанные мутации по некоторым генам, определяющим развитие и архитектуру колоса, способствовали тому, что пшеница стала широко возделываться человеком. В перспективе результаты исследований даже позволят сказать, какие сочетания аллелей генов нужно использовать для получения продуктивных сортов.

Алёна Литвиненко

Фото предоставлены Оксаной Добровольской