Większość ssaków i ludzi ma podwójny zestaw chromosomów – i z reguły rośliny też go mają: jeden zestaw pochodzi od ojca, drugi od matki. Takie organizmy nazywane są diploidami. Czasami jednak liczba zestawów chromosomów podwaja się z pokolenia na pokolenie: jeden organizm diploidalny nagle staje się tetraploidalny – tj. ma cztery zestawy chromosomów.

W przeciwieństwie do ludzi, gdzie wiele genomów jest zwykle śmiertelnych, poliploidia może mieć zalety dla dotkniętych roślin. Rośliny o wielu genomach lepiej przystosowują się do środowiska i są tolerancyjne na sól i suszę. Ponadto często wytwarzają większe nasiona lub owoce, co skutkuje większymi plonami – co jest obiecującą cechą przyszłych upraw.

Ale jest tylko jedna rzecz: nowo utworzone osobniki poliploidalne gatunku rośliny są zwykle całkowicie lub prawie całkowicie sterylne i nie można ich łatwo rozmnażać. Przyczyna bezpłodności tych roślin nie jest jeszcze w pełni poznana.

Geny kontrolujące łagiewkę pyłkową

Kirsten Bomblies, profesor molekularnej genetyki ewolucyjnej roślin na ETH i jej zespół odkryli obecnie nierozpoznany wcześniej mechanizm zmniejszonej płodności u poliploidów. W niedawnym badaniu opublikowanym w Nauka, naukowcy wykazali, że łagiewka pyłkowa nie rośnie prawidłowo w nowo powstałych roślinach poliploidalnych.

Zwykle ziarno pyłku, które podczas zapylania przykleja się do piętna kwiatu, kiełkuje w długą rurkę, która rośnie prosto i nierozgałęziona przez jajnik do zalążków, gdzie następuje zapłodnienie.

Naukowcy z ETH zaobserwowali, że u nowo powstałych roślin poliploidalnych łagiewka pyłkowa nie rośnie prosto ani nie jest wystarczająco długa. „W naszych eksperymentach zaobserwowaliśmy wszelkiego rodzaju kształty” – mówi Bomblies. „Te łagiewki pyłkowe mogły być krzywe, rozgałęzione, krótkie, a nawet pęknięte – ale żadna z nich nie dotarła do celu”. Oznacza to, że gamety męskie, które znajdują się na końcu łagiewki pyłkowej, nie mogą połączyć się z komórkami jajowymi rośliny.

Bomblies i jej współpracownicy badali to zjawisko u rzeżuchy piaskowej (Arabidopsis arenosa). W przyrodzie występują dwa typy tego dzikiego kwiatu: jeden z podwójnym zestawem (jak u nas) i drugi z poczwórnym zestawem chromosomów. Tetraploidalne rzeżuchy poradziły sobie z wadą duplikacji genomu i mogą zadomowić się w niezależnych populacjach.

We wcześniejszych badaniach takich populacji tetraploidalnych rzeżuch piaskowych naukowcy zidentyfikowali geny związane z płodnością rośliny, dla których u tetraploidalnych wyewoluowały nowe warianty. Teraz w tym badaniu opracowali te geny, aby dowiedzieć się, jakie cechy wytwarzają. Kontrastuje to z bardziej powszechnym podejściem w genetyce ewolucyjnej, gdzie badacze zaczynają od cechy (fenotypu) i próbują zidentyfikować geny, które ją powodują.

Odwrotne poszukiwania genetyczne wykazały badaczom z ETH, że wzrost łagiewki pyłkowej kontrolują te dwa geny. Co więcej, w ustalonych tetraploidalnych populacjach rzeżuchy piaskowej omawiane geny często nieznacznie różnią się od wersji występujących u osobników diploidalnych. „Innymi słowy, ewolucja znalazła sposób na minimalne zróżnicowanie tych dwóch genów w taki sposób, aby osobniki tetraploidalne były płodne” – mówi Bomblies.

Korzyści dla hodowli roślin nadal nie są jasne

Naukowcy nie odkryli jeszcze wszystkich tajemnic dotyczących niepłodności nowo powstałych poliploidów. „Obecnie badamy innych kandydatów na geny, które również biorą udział we wzroście łagiewki pyłkowej” – mówi Bomblies.

Nie zbadano jeszcze, czy nowe odkrycia można zastosować w hodowli roślin. Jednakże te dwa geny są „wysoce konserwatywne”. Oznacza to, że zachowały się one na przestrzeni całej historii ewolucji organizmu i można je znaleźć u różnych gatunków.

Bomblies wierzy zatem, że możliwe byłoby przeniesienie dwóch genów rzeżuchy piaskowej na inne gatunki. Obecnie pracuje nad tym ze swoją grupą: badacze sprawdzają, czy uda im się przenieść te dwa geny do rzeżuchy pospolitej (Arabidopsis thaliana), bliski krewny rzeżuchy piaskowej. „Jeśli uda nam się przenieść konstrukt genowy na inny gatunek, może to otworzyć interesujące możliwości hodowli nowych roślin” – mówi.