Кукуруза, рис, пшеница, сахарный тростник - семейство трав содержит ряд видов, которые являются важными источниками пищи для человека и разводились и культивировались на протяжении тысячелетий. Дикие и сельскохозяйственные животные также в значительной степени зависят от травы: коровы, овцы, лошади, а также бизоны, олени и зебры питаются преимущественно травой. Почти 70% сельскохозяйственных площадей Швейцарии занимают пастбища.

Однако разводить травы сложно по своей природе. Как и многие другие цветковые растения, травы выработали механизм, который предотвращает инбридинг после самоопыления. Специалисты называют этот механизм "самонесовместимостью". Он гарантирует, что пыльца самого растения или близкородственных особей не сможет прорасти к завязи и оплодотворить яйцеклетку. Это предотвращает инбридинг со всеми его последствиями.

Для селекции растений самонесовместимость может быть недостатком. Она не только затрудняет создание гомозиготных линий, но и может повлиять на опыление двух близкородственных особей. Это затрудняет достижение селекционного прогресса для получения желаемых характеристик растений путем скрещивания. Для того чтобы использовать различные стратегии селекции растений, необходимо точное знание самонесовместимости.
Гены самонесовместимости в травах впервые расшифрованы

О генетическом составе самонесовместимости у трав известно немного. В 1960-х годах ученые-растениеводы обнаружили, что самонесовместимость контролируется двумя отдельными участками генома (локусами). Но с помощью методов, доступных в то время, исследователи не могли определить, какие гены в действительности задействованы.

Теперь, впервые, исследователи под руководством Бруно Штудера, профессора молекулярной селекции растений, смогли определить гены, ответственные за самонесовместимость, и определить последовательность их нуклеиновых кислот. Они сделали это у райграса многолетнего (Lolium perenne L.), одного из самых важных видов кормовых и дерновых трав в мире.

Исследование опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution.

Штудер посвятил этой теме более 15 лет вместе с сотрудниками из Дании, Уэльса и США. В 2006 году он обнаружил гены, которые снижают урожайность семян у кормовых трав. Он искал противоположное: гены, повышающие урожайность семян. Позже выяснилось, что выявленные им гены играют роль в самонесовместимости. В 2017 году Штудер и его команда сузили круг двух локусов до нескольких потенциальных генов-кандидатов. Теперь они представили точное описание трех генов, которые фактически составляют локусы и контролируют самонесовместимость.

"Этот прорыв стал возможен благодаря технологическим достижениям в области анализа генома. Только в последние годы они позволили эффективно секвенировать весь геном отдельного организма", - говорит он.

Эти результаты открывают новые возможности для селекции не только кормовых трав, но и таких важных самоопыляющихся культур для потребления человеком, как рис или ячмень. Если гены самонесовместимости известны, ими можно манипулировать особым образом. Выключение этих генов позволяет вывести инбредные линии. Другой подход заключается во вставке генов в геном трав, утративших самонесовместимость, чтобы вывести генетически разнообразные популяции. Для Штудера ясно одно: "Знание этих генов дало нам важную основу для управления этим механизмом и использования его для селекции".

Взаимодействие двух удаленных локусов

По сути, самонесовместимость основана на взаимодействии двух локусов - локуса S и локуса Z, которые расположены на разных хромосомах.

Эти гены являются заготовками для трех различных белков, которые образуют своего рода механизм "замок и ключ", распознающий, является ли пыльца, попавшая на рыльце, генетически сходной или неродственной. Это запускает сигнал, который либо прерывает процесс оплодотворения, либо продолжает его до конца.

В настоящее время Штудер и его команда изучают структуру этих белков и то, как они взаимодействуют, чтобы отличить чужую пыльцу от собственной пыльцы растения. Для этого они используют специальные методы искусственного интеллекта для моделирования структуры соответствующих белков на основе последовательности генов, а также модели, предсказывающие взаимодействие между этими молекулами.
Уникальный механизм самонесовместимости

Кроме того, исследователи изучили, как самонесовместимость, основанная на двух локусах, могла развиться в семействе травянистых, поскольку все другие механизмы, известные в других семействах растений, основаны только на одном локусе. Вероятно, что в эволюционной истории трав локус Z первоначально дублировался, а затем его копия претерпела многочисленные мутации, что привело к диверсификации.

"Сейчас мы секвенировали эти два локуса у многих травянистых растений. Мы обнаружили, что локус S имеет тенденцию к меньшему изменению последовательности и продолжает диверсифицироваться, в то время как локус Z изменяется не так сильно. Из этого мы заключили, что локус Z может быть более древним в эволюционном плане", - объясняет Штудер.

Проследив филогению злаков, исследователи также узнали, когда произошла дупликация локуса и когда виды разошлись друг от друга. Более того, филогенетическое древо показало, какие травы не подвергались дупликации локуса, а какие виды утратили самонесовместимость, например, в результате мутации.

Но в чем эволюционная польза самонесовместимости, основанной на двух локусах? "На первый взгляд, мы предполагаем, что это открыло гораздо больше возможностей и гибкости для растений семейства травянистых распознавать свою собственную пыльцу, - говорит Штудер. Это могло иметь большое значение для семейства травянистых, 16 000 видов которых распространены на всех континентах, что делает его одним из крупнейших и наиболее успешных семейств растений в мире".