Предки риса и пшеницы разделились более 35 млн лет назад

Информационное агентство ТАСС 24 декабря 2021 г. 
Сайт Российского Научного Фонда 24 декабря 2021 г.

Сравнив различия в структуре и количестве копий одного из ключевых генов злаковых культур, российские генетики выяснили, что примерно 35 млн лет назад произошло его удвоение и укорочение. Это разделило злаки на две группы, в одной из которых оказались предки риса и кукурузы, а в другой – пшеницы, ржи и ячменя. Результаты исследования опубликовал научный журнал BMC Plant Biology, кратко об этом пишет пресс-служба Российского научного фонда.

"Пока не очень понятно, зачем вообще было необходимо удвоение, если рис и кукуруза и другие злаки спокойно обходятся одним геном и процветают, занимая огромные площади. Загадкой остается и то, почему произошло укорочение. Ответ на эти вопросы поможет решить проблему избыточной ДНК злаков", – прокомментировал один из авторов исследований, заведующий лабораторией Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск) Александр Вершинин.

Для многих злаковых культур характерен тройной, четверной или даже шестерной набор хромосом. Кроме того, в отличие от ближайших родственников, у некоторых их генов есть несколько дополнительных копий. Селекционеры полагают, что это улучшает плодовитость злаков и другие их свойства, однако общепринятого объяснения этому явлению пока нет.

Генетики под руководством Вершинина заинтересовались, как произошло удвоение одного из ключевых генов пшеницы и некоторых других злаковых культур – CENH3. Он отвечает за производство одного из белков-гистонов, который играет важную роль в "упаковке" ДНК в ядре клеток всех многоклеточных живых существ и в процессе их деления.

По количеству копий этого гена злаки можно разделить на две группы. В первую из них входят рис, кукуруза и их ближайшие родичи, обладают лишь одной копией CENH3, несмотря на то, что в прошлом они пережили удвоение числа хромосом. Другие злаки, такие как пшеница, ячмень и рожь, обладают двумя копиями CENH3.

Ученые сопоставили мелкие различия в структуре вариаций этого гена в ДНК разных видов злака и выяснили историю его появления. Также они узнали, когда разделились предки обеих групп этих растений. Первое событие, по оценкам Вершинина и его коллег, произошло около 50 млн назад, когда общий предок злаков приобрел первую вариацию гена CENH3 в результате слияния трех других участков ДНК.

Первое удвоение этого гена произошло примерно 35 млн лет назад, в результате чего возникли две обособленные группы злаковых растений, у одной из которых две копии CENH3, а у другой – только одна. В ходе дальнейшей эволюции первой группы злаков активность каждой из  копий CENH3 не уменьшилась и ни одна из них не исчезла из генома, как это часто происходит в таких случаях. В результате лишь изменился характер работы одной из разновидностей гена: он начал производить укороченную версию белка.

Это радикально отличает представителей первой группы злаков от многих других растений, в частности, бобовых, в геноме которых две одинаковых копии CENH3. С чем связано укорочение одной из них в ДНК пшеницы и ее родичей, а также то, какую роль исполняет эта вариация гена, ученые пока не могут сказать. Они надеются, что узнают ответ на этот вопрос при дальнейшем изучении геномов злаков.