Растения-мутанты после атаки растут быстрее и размножаются чаще других растений

Растения не подвергаются воздействию травоядных без защитных механизмов. Когда насекомое питается листом, травмируя его и выделяя секрет, в растении запускается сигнальный каскад, который обычно начинается с быстрого увеличения количества растительного гормона жасмоновой кислоты и ее активного конъюгата изолейцина.

Жасмоновая кислота регулирует различные реакции в растениях, включая защиту от травоядных и реакцию на экологический стресс.

Мутанты с неблагоприятными свойствами не обязательно исчезают

Важным тезисом эволюционной теории является естественный отбор и вывод о том, что мутанты с неблагоприятными свойствами исчезают вновь. Однако исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене провели наблюдения на диком виде табака Nicotiana attenuata, известном также как табак оттянутый, которые противоречат этому предсказанию.

Двадцать лет назад ученые провели полевые испытания табачных растений с приглушенными защитными сигналами в их естественной среде обитания — пустыне Great Basin в американском штате Юта. Генетически модифицированные растения привлекали листовых попрыгунчиков рода Empoasca, которые не встречались на растениях дикого типа, защитные функции которых не были нарушены. В то же время исследователи заметили, что в природных популяциях на некоторых особях также наблюдаются повреждения, вызванные листовыми воронками.

Это свидетельствует о том, что естественные защитные механизмы этих растений были нарушены. Однако группа исследователей также обнаружила, что другие мутанты с нарушенными защитными механизмами, подвергавшиеся в полевых условиях воздействию лишь небольшого количества травоядных, росли значительно быстрее, чем те, у которых защитные сигналы не были нарушены. Однако в годы высокого давления травоядных мутанты подвергались настолько сильным атакам, что не выживали и не могли размножаться.

Эти результаты натолкнули нас на мысль о том, что природные популяции Nicotiana attenuata могут содержать естественные мутанты в сигнальном пути защиты и что эти мутанты поддерживаются в природных популяциях за счет компромисса между давлением отбора, связанным с ростом и защитой, — сказал руководитель исследования Иан Болдуин, объясняя предыдущие наблюдения, положенные в основу исследования.

Для проверки этой гипотезы группа Иэна Болдуина создала так называемую популяцию MAGIC, которая охватывает значительную часть генетического разнообразия всего вида Nicotiana attenuata в селекционной популяции с гомогенизированным генетическим фоном.

Для создания этой популяции потребовалось в течение трех десятилетий провести скрининг сотен природных образцов растений из коллекций семян, собранных в различных местах пустыни Грейт-Бейсин, чтобы в итоге отобрать 26 очень разных родительских линий, которые скрещивались друг с другом в течение десяти лет очень структурированным образом. Результатом этих скрещиваний стала популяция MAGIC (multi-parent advanced generation inter-cross).

Кроме того, исследователи создали высококачественный когерентный эталонный геном.

Приоритет роста и размножения над защитой становится преимуществом в годы с низким давлением травоядных.

С помощью этого набора данных ученые смогли точно картировать генетическую основу повышенной восприимчивости к травоядным и варьирования уровня конъюгата жасмоновой кислоты и найти причинную мутацию в геноме.

У растений Nicotiana attenuata вариации в гене JAR влияют на уровень накопления конъюгата жасмоновой кислоты. Мутация в этом гене приводит к снижению его уровня по сравнению с нормальными растениями. Мутанты отдают приоритет росту и размножению, а не защите, что делает их более восприимчивыми к атакам насекомых, но потенциально позволяет им быстро расти и производить больше потомства, — говорит первый автор исследования Ришав Рэй.

Кроме того, исследователи продемонстрировали, что мутация в одном гене, отвечающем за сигналы защиты растений, сохраняется в популяции не менее 10 лет, а надежная генетическая сеть может компенсировать дефицит защиты, позволяя мутантам выживать в природе.

Генетические мутации происходят постоянно и, по большому счету, распределены по геномам случайным образом. Чаще всего эти мутации являются губительными, но иногда они обусловливают появление у мутантов полезных признаков, способствующих выживанию в определенных условиях. В этом случае, как показано в настоящей работе, основная мутация может быть частью надежной генетической сети и приводить к накоплению других мутаций с большим эффектом. Это увеличивает генетическое разнообразие в природных популяциях, что важно для их долгосрочного выживания и успешной жизнедеятельности в быстро меняющихся условиях нашей планеты.

В условиях быстро меняющегося климата планеты крайне важно понять и определить, каким образом естественные процессы поддерживают генетическое разнообразие, чтобы мы могли найти более эффективные способы защиты и сохранения оставшегося биоразнообразия на нашей планете, — подчеркивает важность полученных результатов Иэн Болдуин.

Решающее значение для успеха исследования имели обширные популяционные выборки, проведенные 30 лет назад в пустыне Great Basin ученым, который на протяжении десятилетий изучал стратегии выживания этого дикого вида табака. Исследование показывает, что даже по прошествии многих лет сбор и хранение таких образцов может оказаться ценным, и подчеркивает важность финансирования таких долгосрочных исследовательских проектов.

21.08.2023