В Китае дерево с красивым названием «апрельский снег», а по-научному – Chionanthus retusus, любят за пышное весеннее цветение и разнообразную форму лепестков. Его цветы и листья даже используют для приготовления чая и в народной медицине. Но почему лепестки у одного сорта плоские, у другого – закрученные внутрь, а у третьего – спиральные, долго оставалось загадкой. Ученые не имели полной генетической карты этого растения. Известно, что форма лепестков у цветковых растений тесно связана с развитием сосудистой системы – жилок, которые, как скелет, поддерживают их форму. Однако мало кто изучал, как именно рисунок этих жилок влияет на внешний вид цветка. Ключевую роль в развитии органов у растений играет гормон ауксин, но его участие в формировании жилок лепестка тоже было плохо изучено.

Чтобы разобраться в этой головоломке, команда исследователей из Шаньдунского сельскохозяйственного университета и их коллеги провели масштабную работу. Результаты опубликованы в журнале Horticulture Research. Ученые впервые собрали идеально полную, без пробелов, геномную последовательность «апрельского снега» – от теломеры до теломеры. На этой основе они выяснили молекулярные механизмы, стоящие за разнообразием форм лепестков. С помощью анализа данных транскриптома и функциональных экспериментов они нашли ключевой ген CrAUX/IAA20, который контролирует развитие жилок в лепестке. Это открытие проливает свет на то, как сигнальная сеть ауксина управляет архитектурой цветка.

Исследователи взяли три сорта дерева с разной формой цветков:

• XZH – с плоскими лепестками.
• XDL – с лепестками, загнутыми внутрь.
• XX – со спирально закрученными лепестками.

Сравнив анатомическое строение, они увидели: все дело в силе и симметрии сосудистых пучков. У сорта с плоскими лепестками жилки были более крепкие и симметрично расположенные, чем у сортов с изогнутыми.

Анализ активности генов на разных стадиях развития цветка выделил среди прочих ген CrAUX/IAA20. Оказалось, этот ген может производить две версии белка – длинную (CrAUX/IAA20-L) и короткую (CrAUX/IAA20-S) – в зависимости от одного нюанса при созревании молекулы РНК. Длинная версия особенно активна в цветках с изогнутыми лепестками, и она действует как тормоз для развития сосудов.

У сорта с плоскими лепестками в «пусковом» участке этого гена (промоторе) есть мутация, которая делает его менее чувствительным к ауксину. В результате длинная версия гена почти не работает, жилки развиваются хорошо, и лепесток остается плоским. Эксперименты с экспрессией этих генов в растении арабидопсис подтвердили: обе версии уменьшают количество и длину жилок, причем длинная работает „сильнее“. Получается, CrAUX/IAA20 – это важный регулятор, который через реакцию на ауксин контролирует сосудистый „скелет“ лепестка и, в итоге, его форму.

Наша работа впервые напрямую связала рисунок жилок в лепестке с разнообразием форм цветка через сигнальный путь ауксина, – говорит доктор Сяоцзяо Хань, ведущий автор исследования. – Мы выяснили, как CrAUX/IAA20 регулирует баланс между восприимчивостью к ауксину и формированием жилок. Это как молекулярный переключатель, который определяет внешний вид цветка Chionanthus retusus. Теперь у нас есть и полный геном, и понимание механизма, что открывает новые пути для декоративной селекции и изучения эволюции растений.

Польза этого исследования выходит далеко за рамки академического интереса.

• Во-первых, идеальный геном – это как подробнейшая цифровая инструкция к растению. Селекционеры теперь могут не ждать годы, пока дерево вырастет и зацветет, чтобы увидеть результат, а на ранних этапах с помощью генетических маркеров отбирать саженцы с желаемой формой цветка. Это ускорит создание новых сортов в разы.
• Во-вторых, понимание конкретного механизма (ген CrAUX/IAA20 – ауксин – жилки) дает точечную мишень для вмешательства. В перспективе с помощью геномного редактирования можно будет не просто отбирать, а конструировать цветки: делать лепестки более изогнутыми или, наоборот, идеально плоскими, создавая новые эстетические формы для ландшафтного дизайна и цветоводства.
• Наконец, открытый принцип может быть универсальным. Вполне вероятно, что у пионов, роз или других декоративных культур форма лепестков и листьев контролируется похожими генами. Это исследование дает ученым новую «карту», по которой можно искать аналогичные механизмы в других видах, экономя время и ресурсы.

Основной вопрос, который остался за кадром исследования, – это экологическая и эволюционная роль описанного разнообразия. Ученые блестяще показали как работает механизм, но не ответили на вопрос зачем он дереву. Почему в природе или в культуре сохранились сорта с разной силой жилок и формой лепестков? Возможно, изогнутые лепестки лучше защищают репродуктивные органы от дождя или привлекают определенных опылителей, а плоские эффективнее фотосинтезируют.

Без проверки этих гипотез в полевых условиях картина остается неполной. Понимание адаптивной ценности признака – ключ к предсказанию того, как новые, выведенные человеком формы, будут вести себя в реальных экосистемах сада или парка.

Ранее ученые открыли секрет формы лепестков роз.