18.09.2012

Китайские генетики поняли, почему японский рис не скрещивается с индийским

Многочисленные сорта культурного риса (Oryza sativa) подразделяются на две группы или подвида: O. s. japonica (круглозерный, клейкий рис) и O. s. indica (длиннозерный, неклейкий). Между подвидами существует частичная генетическая несовместимость: гибридные растения обладают пониженной плодовитостью. Китайские генетики расшифровали принцип работы одного из генных комплексов, порождающих несовместимость. В состав комплекса входят ген-«защитник» и два гена-«убийцы». У диких предков культурного риса все три гена были функциональны (генотип +++), а у культурных сортов некоторые из них вышли из строя. Для подвида indica характерен генотип +–+, для japonica –+–. Пониженная плодовитость гибридов объясняется сочетанием нефункционального «защитника» с функциональными «убийцами», что приводит к гибели семязачатков.

Согласно данным археологии и генетики, азиатский культурный рис Oryza sativa был одомашнен на юге Китая примерно 9000 лет назад (см.: Molina et al., 2011. Molecular evidence for a single evolutionary origin of domesticated rice (PDF, 297 Кб)). С тех пор было выведено множество сортов, подразделяющихся на две большие группы: O. s. indica (длиннозерные сорта) и O. s. japonica (круглозерные).

«Индийские» и «японские» сорта разделились не менее 3–4 тысяч лет назад и с тех пор эволюционировали аллопатрически, то есть выращивались в разных районах, почти не скрещиваясь друг с другом. За это время в их генофондах успели накопиться взаимно несовместимые мутации, что привело к частичной репродуктивной изоляции, то есть снижению плодовитости гибридов indica и japonica. Это можно рассматривать как наметившееся разделение азиатского культурного риса на два вида, а также как прекрасное подтверждение классической модели аллопатрического видообразования Добржанского–Мёллера.

Выявление конкретных «генов видообразования», ответственных за несовместимость индийского и японского риса, — задача важная как в практическом, так и в теоретическом плане.

Известно, что несовместимость indica и japonica определяется не одним, а несколькими локусами, структура и функция которых активно изучаются (см.: Mizuta, Harushima & Kurata, 2010. Rice pollen hybrid incompatibility caused by reciprocal gene loss of duplicated genes, PDF, 867 Кб).

Китайским генетикам, опубликовавшим свои результаты в недавнем выпуске журнала Science, удалось в общих чертах расшифровать принцип действия одного из важнейших «локусов несовместимости» S5. Этот локус включает пять расположенных близко друг к другу белок-кодирующих генов: ORF1, ORF2, ORF3, ORF4 и ORF5 (от «open reading frame», открытая рамка считывания — так по традиции обозначают плохо изученные гены с неизвестной функцией). Ранее было установлено, что у локуса S5 есть три варианта (аллеля), один из которых (S5-i) характерен для большинства сортов indica, другой (S5-j) — для japonica, а третий (S5-n) — для некоторых сортов, которые дают нормальное плодовитое потомство при скрещивании с носителями любого из двух первых аллелей. Кроме того, было показано, что если вставить в геном japonica ген ORF5 indica, получаются растения с пониженной плодовитостью. Если то же самое проделать с генами ORF3 и ORF4, плодовитость растений не снижается.

Этих данных было недостаточно, чтобы понять, как работает локус S5 и почему аллели S5-i и S5-j плохо сочетаются друг с другом. Для выяснения этого вопроса авторы скрещивали в разных сочетаниях многочисленные сорта риса (как обычные, так и трансгенные), оценивали плодовитость гибридов, подсчитывали соотношение разных генотипов в гибридном потомстве и, конечно же, сравнивали нуклеотидные последовательности локуса S5 у разных сортов.

Выяснилось следующее. Гены ORF1 и ORF2 практически одинаковы у всех изученных сортов, а значит, не в них причина несовместимости.

Ген ORF3 кодирует белок, похожий на белок теплового шока Hsp70. Такие белки защищают клетку от различных стрессов, помогая другим белкам принимать правильную трехмерную конфигурацию в неблагоприятных условиях. У большинства сортов indica ген ORF3 находится в рабочем состоянии, у japonica в нём произошла делеция (выпало 13 нуклеотидов), и поэтому белок ORF3 утратил функциональность.

Белок ORF4, кодируемый геном ORF4, не похож на известные белки, но у него есть один узнаваемый участок — трансмембранный домен. Дальнейшие исследования показали, что этот белок в норме располагается на мембране мегаспор (клеток, из которых у цветковых растений образуется зародышевый мешок, а после оплодотворения — семя). Скорее всего, ORF4 является рецептором, то есть реагирует на какое-то вещество, находящееся снаружи от клеточной мембраны, и передает сигнал внутрь клетки. У indica ORF4 испорчен мутацией, у japonica он в рабочем состоянии.

Наконец, ORF5 является ферментом (аспартатной протеазой), и в норме локализуется снаружи от клетки, то есть выделяется клеткой во внешнюю среду. Там он, по-видимому, участвует в синтезе некого сигнального вещества, на которое реагирует рецептор ORF4. У indica ORF5 активен, у japonica — нет.

Таким образом, генотип indica можно обозначить как 3+4–5+, japonica — 3–4+5–. Механизм действия этих генов, объясняющий пониженную плодовитость гибридов, показан на рисунке. Белки 5+ и 4+, действуя сообща, выступают в роли «убийц», а белок 3+ является «защитником».

Сигнальное вещество, производимое внеклеточным белком 5+, воспринимается рецептором 4+, что приводит (по неизвестной пока причине) к нарушению работы эндоплазматической сети. Если в клетке есть белок-защитник 3+, он защитит клетку от стрессового воздействия, и клетка останется жива. Если же белок 3+ отсутствует, в клетке включится программа апоптоза (программируемой клеточной смерти), и клетка погибнет. Именно это и происходит с половиной будущих семян у гибридов indica и japonica. Погибают мегаспоры, унаследовавшие от гибридного родительского организма генотип japonica, в котором нет гена-защитника 3+, зато есть ген 4+, позволяющий белку 5+ довести клетку до самоубийства.

Что касается сортов с «нейтральными» вариантами локуса S5, которые свободно скрещиваются и с indica, и с japonica, то у них могут быть разные генотипы, например, 3–4–5– или 3+4+5–. Генетическая несовместимость проявляется только в том случае, если с носителем аллеля 5+ скрещивается растение с генами 3– и 4+. Тогда у половины мегаспор не окажется защитника (3+) от действующих совместно «убийц» 5+ и 4+.

Для диких родственников культурного риса, в том числе для предкового вида Oryza rufipogon, характерен генотип 3+4+5+, то есть активны и оба «убийцы», и «защитник». Скорее всего, такой же генотип был и у первых одомашненных сортов риса. Можно предположить, что у диких предков все три гена этого комплекса были зачем-то нужны (хотя мы пока не знаем, зачем), а переход к «культурной» жизни на возделываемых полях сделал их излишними. Впоследствии у двух рано разделившихся групп сортов, indica и japonica, закрепились мутации, выводящие из строя некоторые гены этого комплекса. Внутри каждой группы мутации были взаимно совместимыми, потому что несовместимые комбинации, такие как 3–4+5+, сразу отсеивались отбором. Но отбор не проверял мутации, закрепившиеся в одной группе, на совместимость с мутациями, закрепившимися в другой. Так и возникла частичная репродуктивная несовместимость между сортами — в полном согласии с моделью Добржанского–Мёллера.

Исследование интересно тем, что оно пополнило пока еще весьма небольшую коллекцию идентифицированных «генов видообразования» и расширило представления о возможных механизмах развития генетической несовместимости. Кроме того, работа имеет практическое значение: она поможет генетикам и селекционерам преодолевать репродуктивный барьер между двумя разновидностями риса, что, в свою очередь, будет способствовать выведению новых сортов.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru