Представьте растение, которое размножается почти как картофель или имбирь, создавая своих идеальных двойников. Изучение этого процесса — ключ к прорыву в сельском хозяйстве, но ученые до сих пор мало знают о его генетических основах. Генетик Кобейского университета Кимицунэ Исидзаки уже десять лет изучает печеночник Marchantia polymorpha, считая его идеальной моделью для разгадки этой тайны.

К тому же, печеночник так быстро размножается, что садоводы считают его сорняком: сколько ни вырывай, он снова вырастает, — отмечает ученый.

Весной и летом на верхней стороне слоевища (так называются его «листья») печеночника образуются особые чашечки. В них, как в люльках, зреют выводковые почки — геммы. Они легко отрываются и разносятся дождем, ветром или животными, давая жизнь новым, генетически идентичным растениям. Когда дни становятся длиннее, печеночник переключается на половое размножение. „В наших ранних работах мы нашли ген, который, похоже, участвует в формировании и чашечек для гемм, и половых органов растения. Но его функция была загадкой, которую мы и решили раскрыть“, — говорит Исидзаки.

В журнале New Phytologist команда из Кобе представила результаты. Оказалось, что растения без этого гена практически не образуют ни вегетативных, ни половых органов репродукции. В редких случаях у них появлялись пустые чашечки, похожие на стопку для шотов, — узкие и глубокие, в отличие от обычных широких и плоских. Поэтому ген назвали SHOT GLASS ( «Стопка»). Он оказался необходим для развития работающих репродуктивных структур. Изучив его взаимодействие с другими известными генами, ученые выяснили две ключевые роли SHOT GLASS:

• Он «отключает» развитие воздушных камер в слоевище, освобождая место для формирования чашечек.
• Он помогает «строительным» элементам для половых органов попасть точно в нужное место.

Но самое удивительное открытие ждало впереди. У цветковых растений, куда более сложных, чем печеночник, есть родственные гены, вероятно, унаследованные от общего предка всех наземных растений. У цветковых они регулируют развитие вторичной меристемы — специальной образовательной ткани, которая, упрощенно говоря, отвечает за ветвление. Когда японские исследователи внедрили ген печеночника в цветковое растение, у которого не хватало его собственного аналога, он успешно справился с этой задачей.

Это намекает, что механизм создания растением новых почек в стороне от главной точки роста может быть общим для всех наземных растений, — поясняет Исидзаки.

Теперь ясно, что печеночник — действительно удобная модель для изучения важнейшего сельскохозяйственного процесса.

Но у ученого есть и более масштабные планы.

В отличие от обычных культур, печеночнику не нужна почва, ему достаточно влажного воздуха. Мы исследуем возможность создания линий, где все растение целиком можно будет использовать в пищу. Это открывает перспективы для космических миссий, — объясняет генетик.

И добавляет:

Мы также рассматриваем печеночник как фабрику для биосинтеза ценных веществ — пока эту нишу прочно занимают лишь бактерии и дрожжи. Наша работа с генной инженерией и новые знания о биологии растения — важный шаг в этом направлении.

Польза этого исследования выходит далеко за рамки фундаментальной науки.

• Во-первых, понимание генетического «переключателя» между вегетативным и половым размножением может позволить нам управлять этим процессом у культурных растений. Например, стимулировать клубнеобразование у картофеля или усилить кущение у злаков, что напрямую скажется на урожайности.
• Во-вторых, открытие эволюционно консервативного механизма (работающего и у мхов, и у роз) дает уникальную «короткую дорогу»: изучая простую систему печеночника, мы можем находить гены-мишени для сложных сельхозкультур.
• В-третьих, биотехнологический потенциал: печеночник как новая, фотосинтезирующая платформа для производства лекарств или пищевых добавок — это свежая и многообещающая идея, способная диверсифицировать биотех-индустрию.

Основное уязвимое место исследования — это пока еще большой скачок от модели (печеночник) к практическому применению в агрономии. Доказав, что ген компенсирует свою функцию у другого модельного цветкового растения (например, резуховидки Таля), ученые лишь наметили путь. Реальная проверка эффективности манипуляций с этим геном или его аналогами должна пройти на конкретных сельскохозяйственных культурах, что потребует масштабных и долгих полевых испытаний. Сложная сеть регуляторных взаимодействий у высших растений может свести на нет простую замену одного гена.

Ранее ученые выяснили, как растения живут в условиях генетического хаоса.