Согласно новому анализу, генеалогическое древо подсолнечника показало, что симметрия цветка развивалась несколько раз независимо друг от друга — процесс, называемый конвергентной эволюцией, среди членов этого большого семейства растений. Исследовательская группа выявила больше тонких ветвей генеалогического древа, предоставив представление о том, как развивалось семейство подсолнечника (чаще известное как семейство Астровые), в которое входят астры, маргаритки и продовольственные культуры, такие как салат и артишок.
Статья с описанием анализа и результатов, которые, по словам исследователей, могут помочь выявить полезные признаки для селекционного выведения растений с более желательными характеристиками.
«Конвергентная эволюция описывает независимую эволюцию того, что кажется одним и тем же признаком у разных видов, например, крыльев у птиц и летучих мышей», — сказал Хонг Ма (Hong Ma), заведующий кафедрой репродуктивного развития и эволюции растений, профессор биологии в Эберлийском научном колледже Пенсильванского университета, и руководитель исследовательской группы. «Это может затруднить определение того, насколько тесно связаны два вида путем сравнения их признаков, поэтому наличие подробного генеалогического древа, основанного на последовательности ДНК, имеет решающее значение для понимания того, как и когда эти черты развились».
Например, головка подсолнуха на самом деле представляет собой смесь, состоящую из множества цветков гораздо меньшего размера. Хотя головка обычно радиально симметрична — ее можно разделить на две равные половины в разных направлениях, как морскую звезду или пирог, — отдельные цветки могут иметь разные формы симметрии. Согласно новому исследованию, двусторонняя симметрия, при которой существует только одна линия, разделяющая цветок на две равные половины, эволюционировала и терялась у подсолнечника несколько раз независимо друг от друга на протяжении истории эволюции. Исследователи обнаружили, что эта конвергентная эволюция, вероятно, связана с изменениями количества копий и паттернов экспрессии цветочного регуляторного гена CYC2.
Исследователи объяснили, что в последние годы многие генеалогические древа группы родственных видов были построены с использованием транскриптомов, которые представляют собой генетические последовательности практически всех генов, экспрессируемых видом. Транскриптомы легче получить, чем высококачественные полногеномные последовательности для вида, но их по-прежнему сложно и дорого подготовить, и для этого требуются свежие образцы растений. Чтобы увеличить количество видов, доступных для сравнения, команда обратилась к последовательностям генома с низким покрытием, которые производятся с помощью процесса, называемого Геномное секвенирование с малой глубиной (англ. genome skimming), относительно недороги и просты в приготовлении даже из образцов высушенных растений.
«Чтобы получить точную последовательность всего генома для вида, каждая буква его алфавита ДНК должна быть прочитана несколько раз, чтобы свести к минимуму ошибки», — сказал Ма. «В этой статье мы показываем, что для целей построения генеалогического древа можно обойтись последовательностями генома с низким покрытием. Это позволило нам увеличить количество видов в нашем анализе, что, в свою очередь, позволило выявить больше тонких ветвей генеалогического древа подсолнечника».
Команда использовала комбинацию общедоступных и недавно созданных транскриптомов, наряду с большим количеством недавно полученных по методу genome skimming, в общей сложности для 706 видов с представителями 16 подсемейств, 41 трибы и 144 групп подтрибового уровня в семействе подсолнечника. Подсемейства являются основными категориями семейства, тогда как трибы и подтрибы могут содержать один или несколько родов, что является уровнем классификации чуть выше вида.
«Предыдущие версии генеалогического древа подсолнечника устанавливали отношения между большинством подсемейств и многих триб, которые эквивалентны основным ветвям древа», — сказал Ма. «Благодаря увеличенному размеру выборки мы смогли распознать больше мелких ветвей и ветвей на уровне подтрибы и рода. Это древо с более высоким разрешением позволило нам реконструировать, где и когда появились такие черты, как симметрия цветков, демонстрируя, что двусторонняя симметрия, должно быть, развивалась много раз независимо».
Команда также изучила молекулярную эволюцию генов, участвующих в развитии цветков подсолнечника. Они обнаружили, что один из этих генов, CYC2, который встречается в нескольких копиях в геномах каждого вида, был активирован у видов с двусторонне-симметричными цветками, что позволяет предположить, что он может быть частью молекулярной основы конвергентной эволюции этого признака. Чтобы дополнительно проверить это, команда провела эксперименты по количественной оценке экспрессии гена CYC2 в цветках видов с разными типами симметрии.
«Наш анализ показал четкую связь между экспрессией CYC2 и симметрией цветка, предполагая, что изменения в том, как эти гены используются у различных видов подсолнечника, вероятно, участвуют в конвергентной эволюции, наблюдаемой в этом семействе», — сказал Ма. «Семейство подсолнечника — одно из двух крупнейших семейств цветковых растений, насчитывающее более 28 000 видов, включая многие экономически важные сельскохозяйственные и садоводческие виды. Понимание того, как эти виды связаны друг с другом, позволяет нам определить, как и когда развились их черты. Эти знания также можно использовать для выявления полезных признаков, которые можно было бы вывести у одомашненных видов из близкородственных диких видов».
Результаты исследования были опубликованы в журнале Plant Communications.
Источник: Pennsylvania State University.
