У каждой розы есть свои шипы, и другие распространенные растения, такие как рис, малина и ежевика, также имеют острые шипы. В ботанике эти заостренные защитные приспособления известны как «колючки», и растения используют их в качестве защиты от голодных травоядных.
Однако, как именно эти шипы эволюционировали у различных видов растений, которые не являются близкородственными, не было полностью понятно — до сих пор. Группа исследователей недавно обнаружила, что ген, кодирующий шипы, одинаков у разных семейств растений, хотя они эволюционировали этот признак независимо. Результаты были опубликованы в журнале Science.
«Это не значит, что был один общий предок, у которого были колючки, а затем он распространился на все эти другие в течение 400 миллионов лет, а затем они были утеряны спорадически. На самом деле, похоже, что они, похоже, довольно легко приобретались в разных линиях», — говорит соавтор исследования Закари Липпман из лаборатории Колд-Спринг-Харбор.
Согласно исследованию, шипы на розах и других растениях эволюционировали независимо по крайней мере 28 раз за 400 миллионов лет. Хотя это означает, что механизм шипов не может быть прослежен до общего предка, понимание генетического происхождения этой черты может помочь садоводам выращивать сорта растений без шипов в будущем.
Чтобы найти ген, отвечающий за шипы, ученые исследовали растения рода Solanum. Эти растения, известные как пасленовые, охватывают более 1500 видов и включают в себя такие распространенные кулинарные фавориты, как помидоры, баклажаны и картофель. Появление шипов в этом роде датируется шестью миллионами лет назад.
Команда скрестила сорта баклажанов — один из выращиваемых видов, известный как баклажан бринджал, у которого нет колючек, с его диким родственником с колючками — и обнаружила, что только часть гибридного потомства оказалась с колючками. Они определили, что баклажаны с колючками несли тот же самый специфический вариант гена под названием LONELY GUY, или LOG, в то время как у баклажанов без колючек были мутации в этом гене. Согласно заявлению лаборатории Cold Spring Harbor, у растений LOG контролирует выработку цитокинина — гормона, который влияет на рост и деление клеток.
Затем исследователи сосредоточились на генах LOG в других растениях, которые отделились от семейства пасленовых на эволюционном древе около 150 миллионов лет назад. В научной литературе они обнаружили связь между генами LOG и колючками у риса. В экспериментах они подавили ген LOG в розах, что в свою очередь подавило развитие колючек.
Несмотря на то, что ген LOG отвечает за рост растений, исследователи могли манипулировать им без негативного влияния на растения, поскольку у растений есть несколько его копий. Тот, который кодирует колючки, можно отключить, в то время как другие гены LOG остаются функциональными, кодируя развитие растения.
Хотя различные растения разделяют ген LOG, они развили шипы независимо друг от друга в процессе, называемом конвергентной эволюцией. Конвергентная эволюция — это когда виды приспосабливаются к окружающей среде со схожими чертами, в данном случае шипами, не будучи при этом близкородственными.
Результаты подчеркивают, как эволюция растений со временем обновляется, и иногда неожиданным образом. «Во многих случаях инновации могут просто отражать повторное использование старых генов новыми способами», — говорит Вивиан Айриш, эволюционный биолог из Йельского университета, которая не принимала участия в исследовании.
После того, как ученые определили, что ген LOG вызывает рост колючек, они использовали технологию редактирования генов CRISPR, чтобы удалить его из растений, эффективно спроектировав томаты и розы без шипов. Таким образом, новое открытие может быть использовано для выращивания растений без колючек, что облегчит садоводам сбор роз, не поранившись.
Удаление колючек с других растений может сделать некоторые колючие виды более доступными в продуктовых магазинах. Например, пустынный изюм, ягода, родом из Австралии, растет на колючих кустах. Создав сорт без колючек, фрукты можно будет легче собирать, и они станут более доступными по всему миру.
«На самом деле речь идет о расширении знаний… и понимании того, насколько важны мутации для того, чтобы дать нам пищу, которую мы едим, в тех масштабах, в которых мы ее потребляем, и осознании того, что в этом есть еще больший потенциал», — резюмировали ученые.
