Кукуруза освоилась в горах благодаря раннему цветению и изменению метаболизма липидов

Кукуруза (Zea mays) — это один из ключевых культурных злаков, который имеет огромное значение для продовольственной безопасности. Возделывание кукурузы имеет богатую историю: одомашнивание ее дикого предка начали еще американские аборигены на юго-западе Мексики примерно 10 тысяч лет назад. Исходно они использовали дикую разновидность теосинте (Zea mays parviglumis) из долин, но вскоре смогли распространить эту культуру и на высокогорные области Южной Америки, где кукурузные поля впервые появились уже 6,5 тысяч лет назад. Здесь произошла интрогрессия кукурузы, то есть ее гибридизация с другим подвидом того же вида — Zea mays mexicana. Она обогатила генофонд злака и привела к появлению гибридов F1, способных к так называемому возвратному скрещиванию с родительскими линиями. Интрогрессия также позволила кукурузе приобрести пигментацию стебля и волоски, которые защищают растение от ультрафиолета.

В новой статье в PNAS ученые из США и Мексики обратили внимание на генетические основы метаболизма липидов Z. mays, в особенности – на ген HPC1 (High PhosphatidylCholine 1). Он кодирует фермент фосфолипазу А1, необходимый для расщепления фосфолипидов. Ранее было показано, что именно этот ген определяет различия в липидном профиле линий кукурузы и связан с адаптациями к росту в горах.

Авторы рассмотрели 597 связанных с обменом глицеролипидов генов Z. mays и получили из функциональную аннотацию. Популяционно-генетический анализ проводили с помощью QTL-картирования, липидом изучали при помощи масс-спектрометрии особо высокого разрешения (Ultra Performance Liquid Chromatography — Mass Spectrometry). Мутантные аллели получали с помощью геномного редактирования CRISPR-Cas9.

Установлено, что для кукурузы из Центральной Америки характерно повышенное соотношение фосфотидилхолина к лизофосфатидилхолину. При этом регулирующие их химические превращения гены активно отбирались по мере того, как кукуруза приспосабливалась к горным условиям.

Ученые показали, что «горный» аллель HPC1 имеет полиморфизм в консервативном участке и кодирует фермент с нарушенной функцией. Мета-анализ ортологов HPC1 указал на сильную взаимосвязь аминокислоты в этом положении с оптимальным ростом прокариотических клеток. Проведенный при помощи геномного редактирования CRISPR-Cas9 мутагенез HPC1 подтвердил его значение для регуляции метаболизма фосфолипидов кукурузы.

Также показано, что ген HPC1 был перенесен в современный злак в ходе интрогрессии и имеет большое значение для экологической пластичности кукурузы, в том числе потому, что делает возможным раннее цветение и короткий вегетационный период, важные для адаптации к горам.

Подробнее о культивации кукурузы — на PCR.NEWS.