Мейоз — это ключевой процесс для полового размножения. В его ходе образуются половые клетки с уменьшенным вдвое набором хромосом (у растений это пыльца и яйцеклетки), которые при слиянии во время оплодотворения восстанавливают исходное число хромосом у потомства. В начале мейоза происходит рекомбинация — обмен участками между парными хромосомами, что критически важно для генетического разнообразия.

Центральную роль в этом процессе играет синаптонемальный комплекс — белковая «молния», которая удерживает гомологичные хромосомы вместе и позволяет им обмениваться генетическим материалом. Такие обмены (кроссинговеры) перемешивают гены, обеспечивая разнообразие потомства. Но их количество и распределение по хромосомам ограничено, что сужает возможности для селекции.

Раньше в модельном растении Arabidopsis thaliana были известны только три белка (ZYP1, SCEP1, SCEP2), необходимые для работы этого комплекса. О других компонентах и их функциях ничего не знали. Теперь ученые обнаружили еще один белок — SCEP3, который расположен прямо в центре комплекса.

Чтобы выяснить его роль, исследователи создали мутантные растения с помощью CRISPR/Cas9. С помощью микроскопии высокого разрешения они увидели точное положение SCEP3 в синаптонемальном комплексе и проследили его взаимодействие с другими белками. Оказалось, что у потомства таких мутантов кроссинговеры происходят чаще и распределяются случайным образом. Более того, исчезла разница между мужскими и женскими половыми клетками — обычно у Arabidopsis у самок кроссинговеров меньше, чем у самцов.

Результаты опубликованы в издании Nature Plants.

SCEP3 — ключевой компонент синаптонемального комплекса. Он есть у многих растений, и без него комплекс просто не соберется, — объясняет Чао Фэн, первый автор исследования. Но роль этого белка не ограничивается сборкой. — Мы выяснили, что SCEP3 также влияет на количество и распределение кроссинговеров.

Эта работа расширяет наши представления о мейозе и генетической рекомбинации, которые лежат в основе эволюции и разнообразия жизни. Поскольку SCEP3 встречается у разных видов, он, скорее всего, выполняет схожие функции и у других организмов, — говорит Штефан Хекманн, руководитель группы. — Понимание того, как контролируется образование кроссинговеров, поможет селекционерам выводить сорта с нужными признаками. Это может пригодиться для адаптации сельхозкультур к изменению климата, повышения устойчивости к болезням и увеличения урожайности.

Это исследование может изменить подход к селекции растений. Если научиться управлять кроссинговерами, можно:

• Ускорять выведение новых сортов — вместо долгого скрещивания и отбора получать нужные комбинации генов быстрее.
• Преодолевать барьеры скрещивания — некоторые гены «заперты» в определенных участках хромосом, и их сложно совместить. Контроль над рекомбинацией решит эту проблему.
• Создавать культуры для экстремальных условий — например, пшеницу, устойчивую к засухе, или рис, растущий на засоленных почвах.

Но главное — это шаг к «программируемой эволюции», где генетическое разнообразие не случайно, а направленно.

Исследование проводилось на Arabidopsis thaliana — классическом модельном организме. Но у сельскохозяйственных культур (пшеницы, кукурузы) мейоз устроен сложнее. Возможно, у них SCEP3 работает иначе, или его роль компенсируют другие белки. Пока не ясно, насколько эти результаты применимы к реальной селекции.

Ранее ученые взломали генетический код картофеля.