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, возглавляемая биологом из штата Пенсильвания, выявила больше тонких ветвей генеалогического древа, предоставив представление о том, как развивалось семейство подсолнечника, 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, опубликована в журнале Plant Communication.
«Конвергентная эволюция описывает независимую эволюцию того, что кажется одним и тем же признаком у разных видов, например, крыльев у птиц и летучих мышей», — сказал руководитель исследовательской группы Хонг Ма из Научного колледжа Эберли в Пенн Стейт. «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 цветы 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 характера 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 вида, но их по-прежнему сложно и дорого приготовить, и для этого требуются свежие образцы растений. Чтобы увеличить количество видов, доступных для сравнения, команда обратилась к последовательностям генома с низким охватом, которые производятся с помощью процесса, называемого скиммингом генома, и относительно недороги и их легко приготовить даже из образцов высушенных растений.
«Чтобы получить точную последовательность всего генома вида, каждая буква его алфавита ДНК должна быть прочитана (или закрыта) несколько раз, чтобы свести к минимуму ошибки», — сказал Ма. «В этой статье мы показываем, что для целей построения генеалогического древа нам могут сойти с рук последовательности генома с меньшим охватом. Это позволило нам увеличить количество видов в нашем анализе, что, в свою очередь, позволило нам разрешить больше более мелких ветки генеалогического древа подсолнечника».
Команда использовала комбинацию общедоступных и недавно созданных транскриптомов, а также большое количество недавно полученных обезжиренных геномов, в общей сложности для 706 видов с представителями 16 подсемейств, 41 трибы и 144 групп подтрибового уровня в семействе подсолнечника. Подсемейства являются основными подразделениями 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 племен, которые эквивалентны основным ветвям дерева», — сказал Ма. «Благодаря увеличенному размеру выборки мы смогли распознать больше более мелких ветвей и ветвей на уровне подтрибы и рода. Это дерево с более высоким разрешением позволило нам реконструировать, где и когда развивались такие черты, как симметрия цветка, демонстрируя, что двусторонняя симметрия должна иметь эволюционировал много раз независимо».
Команда также изучила молекулярную эволюцию генов, участвующих в развитии цветов 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 цветах 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, содержащее более 28 000 видов, включая множество экономически важных сельскохозяйственных и садоводческих видов. Понимание того, как эти виды связаны друг с другом, позволяет нам определить, как и когда развивались их признаки. Эти знания также может быть использован для выявления полезных признаков, которые можно было бы вывести у одомашненных видов из близкородственных диких видов».
