Чтобы дикий рис превратился в культурный, хватило единственной мутации

Впервые рис начали возделывать в юго-восточной Азии более 6000 лет назад. На сегодняшний день рис — главная пища человечества, он кормит более половины населения земли (фото с сайта www.sciencedaily.com)
Впервые рис начали возделывать в юго-восточной Азии более 6000 лет назад. На сегодняшний день рис — главная пища человечества, он кормит более половины населения земли (фото с сайта www.sciencedaily.com)

Как и в случае с пшеницей, ключевым моментом в доместикации (окультуривании) риса было появление разновидности с неопадающими семенами, что позволило древним земледельцам резко сократить потери при сборе урожая. Ученые из Мичиганского университета (США) выявили генетическую подоплеку этого события. Появление культурного риса было обусловлено заменой одной-единственной аминокислоты в регуляторном белке, управляющем формированием «отделительного слоя» между зерном и плодоножкой.

Предком культурного риса (Oryza sativa) считается дикорастущий вид с опадающим семенами O. nivara или близкий к нему O. rufipogon (или, возможно, оба этих вида). Недавно было установлено, что опадение семян зависит от гена, получившего условное название sh4. Это выяснили методами классической генетики, скрещивая дикий рис с культурным и подсчитывая число потомков с опадающими и неопадающими семенами в первом и втором поколениях гибридов. Для дикого риса O. nivara характерен доминантный аллель этого гена, соответствующий опадающим семенам; рецессивный аллель, характерный для домашнего риса, обеспечивает неопадающие семена. Однако до сих пор не было известно, какую функцию выполняет кодируемый этим геном белок и каким образом он контролирует опадение семян.

На этот раз исследователи поставили себе целью окончательно разобраться в этом вопросе. Cкрещивания разных видов и сортов риса и анализ количественного распределения различных комбинаций опадения/неопадения семян с другими признаками (генетическими маркерами) позволили локализовать участок ДНК длиной 1700 пар нуклеотидов, расположенный на 4-ой хромосоме и несущий искомую мутацию (или комплекс мутаций — на тот момент это еще не было известно).

Следующим этапом исследования было секвенирование (определение последовательности нуклеотидов) и сравнение этого участка генома у растений с опадающими и неопадающими семенами. Выяснилось, что неопадение семян обусловлено одной-единственной нуклеотидной заменой: тимин (Т) дикого риса заменился на гуанин (G) домашнего, что привело к замене аминокислоты лизина на аспарагин в соответствующем белке.

Сам белок, судя по его аминокислотной последовательности, является транскрипционным фактором (см. также «Эволюция человека сопровождалась изменением активности генов-регуляторов», Элементы, 13.03.2006), то есть его функция состоит в регуляции активности каких-то других генов. Ученые не поленились проверить это экспериментально. Они применили генно-инженерную технологию: приделали к гену sh4 ген зеленого флуоресцирующего белка медузы и ввели эту конструкцию в растительные клетки. В клетках химерный ген был транслирован в химерный светящийся белок, и ядра клеток зажглись зелеными огоньками. Это подтвердило, что sh4 кодирует транскрипционный фактор (или по крайней мере какой-то ядерный белок), поскольку транскрипционные факторы, в отличие от подавляющего большинства других белков, концентрируются в ядре, где они занимаются регуляцией работы генов, а в других частях клетки им делать нечего.

Запрограммированное отделение определенных органов и частей (например, спелых плодов или отслуживших листьев) играет в жизни растений важную роль, однако механизмы этого процесса изучены пока слабо. Известно, что обычно в том месте, где должно произойти отделение, формируется «отделительный слой» из клеток особого строения. У дикого риса между зерном и плодоножкой образуется хорошо различимый на срезах «отделительный слой», состоящий из мелких тонкостенных клеток. У культурного риса этот слой формируется только частично, так что зерно остается прочно прикрепленным к плодоножке. Ученые проверили, в каких частях растения экспрессируется (то есть работает) ген sh4. Оказалось, что он работает как раз там, где формируется отделительный слой, тогда как в других частях растения экспрессия данного гена не обнаруживается (в описанных выше экспериментах с зеленым флуоресцирующим белком ген заставляли экспрессироваться в корнях «насильно», при помощи особых генно-инженерных ухищрений).

Чтобы окончательно подтвердить свои выводы, ученые ввели в геном культурного риса «дикий» вариант гена sh4 и убедились, что это приводит к формированию нормального (то есть полного) отделительного слоя.

Судя по всему, доместикация риса была связана с отбором растений, несущих мутантный вариант гена sh4. Мутация, вероятно, не полностью вывела из строя соответствующий белок, а лишь немного «подпортила» его, иначе отделительный слой не формировался бы вовсе, что создало бы большие проблемы при обмолоте. По-видимому, небольшие изменения регуляторных генов сыграли важную роль и в доместикации других растений, по крайней мере, соответствующие данные уже имеются по кукурузе и томатам.

Источник: Changbao Li, Ailing Zhou, Tao Sang. Rice Domestication by Reducing Shattering // Science. 2006. V. 311. P. 1936-1939.

Александр Марков


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • dims  | 08.04.2006 | 12:18 Ответить
    Вообще, я ещё от занятий программированием понял: есть разные действия, результат которых в разной степени зависит от случаных и неслучайных действий "творца". Например, есть скульптор Церетели случайно махнёт мизинцем, то эта ошибка выльется в незначительную и невидимую погрешность формы огромной статуи. А если программист махнёт мизинцем, то он может напечатать лишнюю запятую и функционирование программы серьёзно изменится.

    То есть, чем выше продуктивность деятельности, тем значимее каждое микродвижения. И это понятно: ведь мы специально повышаем продуктивность, чтобы всё более лёгкие движения приводили ко всё более значимым последствиям. То есть, мы уплотняем результативность в расчёте на элементарное действие.

    Почти очевидно, что жизнь должна быть крайне эффективна. Генетический аппарат должен быть таков, чтобы он мог при помощи небольших вариаций приводить к большим изменениям. То есть, плотность нагруженности каждого элемента возможным результатом должна быть очень большой. Или, по крайней мере, должна быть очень большой в некоторых местах.

    Например, белки, которые производятся генами можно считать молекулярными роботами, то есть, изменение в нуклеотидной последовательности есть изменение конструкции такого робота и, если оно попадает в значимую часть, оно должно приводить к значимым последствиям.

    Той же цели уплотнения служат и иерархии регулирующих генов: небольшое изменение в регуляторе может привести к серьёзным последствиям во всей цепочке.

    Можно сформулировать "теорему": все изменения в процессе эволюции происходили поэтапно, каждый раз благодаря одной (небольшому числу) мутации.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»