Раскрыт секрет махровых подсолнухов ван Гога

Ученые идентифицировали мутацию гена, вызывающую появление махрового цветка, увековеченную Винсентом ван Гогом в культовой серии картин «Подсолнухи».

В серии картин Винсента ван Гога 1888 г. есть картина, выставленная в Национальной Галерее в Лондоне, на которой изображены подсолнухи, лишенные темной сердцевины, и их цветок состоит из многочисленных золотистых лепестков. Эта картина является не только свидетельством высочайшего профессионализма художника, но и точным воспроизведением разнообразия мутантных форм подсолнухов. В статье, недавно опубликованной в журнале PLoS Genetics [1], ученые из Университета Джорджии (University of Georgia, США) сообщают о выявлении генетической мутации, способной, как утверждают авторы, пролить свет на эволюцию разнообразия флоры.

Дикий подсолнечник (Helianthus annuus) представлен не одним цветком, а соцветием маленьких цветочков. Маленькие золотистые язычковые цветочки, расположенные по краю подсолнечника, напоминают длинные лепестки. Они обладают двусторонней симметрией и не вырабатывают пыльцу. Ее образуют круглые маленькие цветочки – крошечные радиально симметричные цветки, заполняющие сердцевину подсолнуха. Сочетание двух видов цветков создает впечатление одного большого цветка и является привлекательной мишенью для насекомых-опылителей.

«Успех семейства определяется стратегией флоры», - объясняет руководитель исследования, ботаник Джон Берке (John Burke).

Поскольку изменение симметричности растения может повлиять на его взаимодействие с насекомыми-опылителями, а, значит, и на его размножение, необычные подсолнечники, изображенные ван Гогом, заинтересовали Берке.

Берке утверждает, что разнообразие характеристик, наблюдаемое у многих видов цветущих растений, предположительно связано с классом «CYC-подобных» генов, названных в честь гена CYCLOIDEA. «CYC-подобные» гены контролируют транскрипцию ДНК и влияют на морфологию гербер (Gerbera daisies) и цветущих крестовников (Senecio genus), относящихся к семейству астровых, равно как и подсолнечники. Однако функция этих генов у подсолнечников была менее понятна.

«Была выдвинута гипотеза о том, что эти гены могут быть ответственны за управление эволюцией разнообразия головок цветков», - говорит Берке.

«Трубчатые» цветки

Для генетиков махровые мутантные цветки являются проблемой практического характера, поскольку их воспроизводство затруднено малым количеством пыльцы. Для того чтобы преодолеть эту проблему, ученые сначала скрестили дикий вид подсолнечника с частичным махровым мутантом, а затем позволили их потомству самоопылиться. Среди полученного потомства оказался новый мутант с «трубчатыми» цветками, названный так из-за того, что форма его лепестков напоминает трубочку для напитков. Ученые отследили различия между новым мутантным и диким типами подсолнечников на предмет инсерционных мутаций больших фрагментов ДНК в гене HaCYC2c. В махровых мутантах была одна инсерционная мутация ДНК, а в «трубчатых» цветах – две таких мутации.

В предыдущих исследованиях было показано, что в язычковых цветках активно экспрессируется ген HaCYC2c. Ученые обнаружили, что в махровых цветках одна инсерционная мутация усиливает экспрессию гена HaCYC2c во всем растении, в результате цветки у сердцевины становятся язычковыми. У «трубчатых» цветов наличие двух инсерционных мутаций приводит к ингибированию транскрипции гена и тормозит формирование язычковых цветков.

«Похоже, что этот ген играет ключевую роль в определении язычковой или круглой морфологии цветков подсолнечника, - говорит Берке. – Таким образом, если включить ген не в той области, то круглые цветки станут выглядеть, как язычковые. И, наоборот, если выключить ген, язычковые цветки станут похожими на круглые».

Ученые построили генеалогическое древо, отслеживая ген HaCYC2c в различных видах семейства подсолнечников. По мнению исследователей, мутации в гене эволюционировали независимо от влияния на форму цветка, подтверждая результаты предыдущих исследований родственных подсолнечникам видов.

«Другие растения используют такие же механизмы, - объясняет специалист по растениям Виктор Альберт (Victor Albert) из Университета в Буффало (University at Buffalo, США), не принимавший участие в этом исследовании. – Этот ген появлялся несколько раз на протяжении эволюции».

Поскольку подсолнечники размножаются путем самоопыления и перекрестного опыления, мутации, приводящие к возникновению «трубчатых» цветков, возможно, являются механизмом адаптации. Язычковые цветки не образуют пыльцу, но привлекают насекомых-опылителей, поэтому мутация может быть преимуществом в тех случаях, когда возможно размножение цветка только путем самоопыления. «Когда растения захватывают новую территорию, а на ней мало насекомых-опылителей, зачем направлять энергию на создание язычковых цветков, если привлекать насекомых-опылителей не нужно?» - говорит биолог Ричард Эббот (Richard Abbott) из Университета Св. Эндрюса (University of St Andrews, Шотландия), изучающий CYC-подобные гены у крестовника Senecio genus.

И наоборот, маловероятно, что мутация, приводящая к образованию махровых цветков, увековеченных на картине ван Гога, является адаптивной характеристикой, поскольку эти растения размножаются с трудом. «Селекционный отбор таких растений происходит против естественных условий, - объясняет один из соавторов исследования Марк Чепман (Mark Chapman). – По-видимому, это была случайная мутация».

«Вероятно, селекционеры увековечили мутацию из-за необычного вида цветков», - считает Чепман. Но, несмотря на то, что мутация, которую несет махровый цветок, передает недостатки, она дала возможность семейству астровых эволюционировать.

«Нам интересно, как эти гены изменялись и эволюционировали. Мутации – это инструменты, позволяющие нам задавать вопросы», - говорит Берке.



Ученые идентифицировали гены, ответственные за возникновение «махровых» (B) цветков подсолнечника (помечены черными стрелками на картине), увековеченных на картине Винсента ван Гога «Подсолнухи» 1888 г. Для сравнения приведены фотографии обычного подсолнечника (A) и «трубчатого» цветка (C), возникновение которого связано с другой мутацией. (фото: John Burke/UGA;Christie's Images/CORBIS)

Оригинальная статья: Helen Thompson

По материалам Nature News

Литература:
1. Chapman, M. A. et al. PLoS Genet. 8, e1002628 (2012).