Генетика чередования полов у грецких орехов была раскрыта биологами Калифорнийского университета в Дэвисе. Исследование, опубликованное в журнале Science, выявило механизм, который стабильно функционировал у грецких орехов и их предков на протяжении 40 миллионов лет — и который имеет некоторые параллели с определением пола у людей и других животных.
Цветущие растения имеют множество способов избежать самоопыления. Некоторые делают это, строя цветы так, чтобы самоопыление было трудным; некоторые виды имеют отдельные «мужские» и «женские» растения. Другие разделяют свои мужские и женские цветы по времени. Деревья из семейства, включающего грецкий орех, гикори и пекан, делают это на шаг дальше. Грецкий орех производит цветы одного пола, затем другого в течение одного сезона, но деревья различаются тем, какое из них приходит первым. Индивидуальные деревья последовательно цветут «мужским первым» или «женским первым», о чем упоминал Чарльз Дарвин в 1877 году. В 1980-х годах аспирант Калифорнийского университета в Дэвисе Скотт Глиссон отметил, что этот фенотип контролируется одним генетическим локусом.
«Грецкие орехи и пеканы имеют временной диморфизм, где они чередуют мужское и женское цветение в течение сезона», — сказал Джефф Гроу, аспирант по популяционной биологии в Калифорнийском университете в Дэвисе и первый автор статьи. «Это известно с 1800-х годов, но до сих пор не было понято на молекулярном уровне».
Это происходит как у культурных грецких орехов, так и у диких родственников, например, у черного грецкого ореха Северной Калифорнии. В диких видах соотношение деревьев с мужским первым и женским первым цветением почти 1:1.
Гроу и его научный руководитель, профессор Грэм Куп из кафедры эволюции и экологии, использовали данные из программы разведения грецких орехов Калифорнийского университета и отслеживали цветение местных черных грецких орехов Северной Калифорнии, растущих вокруг кампуса Калифорнийского университета в Дэвисе. Назначив деревья в группы «мужское первое» или «женское первое», исследователи секвенировали их геномы и идентифицировали последовательности, связанные с этим признаком.
Один и тот же механизм, разные гены
У грецких орехов они нашли два варианта гена, связанных с цветением «женским первым» или «мужским первым». Этот полиморфизм ДНК встречается как минимум в девяти видах грецких орехов и стабилен на протяжении почти 40 миллионов лет.
«Это довольно нетипично сохранятьvariation на протяжении такого длительного времени», — сказал Гроу. В данном случае два типа цветения уравновешивают друг друга. Если один тип цветения становится более распространенным в популяции, чем другой, менее распространенный тип получает преимущество при спаривании, и становится более распространенным. Это приводит к 50:50 равновесию и сохраняет генетическое разнообразие.
Пеканы, как обнаружил Гроу, также имеют сбалансированный генетический полиморфизм, определяющий порядок цветения, но в другой части генома по сравнению с грецким орехом. Полиморфизм у пекан оказывается старше, чем у грецкого ореха, и составляет более 50 миллионов лет.
Как грецкие орехи и пеканы, которые являются родственными, пришли к одному и тому же механизму цветения через совершенно разные гены?
Возможно, предки грецких орехов и пеканов пришли к схожим решениям в процессе эволюции. Но также возможно, что эта система цветения, разнесенная по времени, возникла еще раньше в этом семействе, около 70 миллионов лет назад, и на протяжении времени точные генетические механизмы ее достижения изменились.
Интересно, что это похоже на то, как работают половые хромосомы у животных, с двумя структурными вариантами (X и Y хромосомы у людей и других млекопитающих), которые поддерживаются примерно в равновесии.
«Существует явная параллель с общим методом определения пола», — сказал Гроу.
