Основы устойчивости амаранта к глифосату

Учёные во главе с Уильямом Т. Молином (USDA-ARS) секвенировали и изучили структуру внехромосомной ДНК (репликона), которая лежит в основе молекулярного и биохимического механизма устойчивости сорняка Palmer amaranth (Amaranthus palmeri) к гербициду глифосату. Эта работа углубляет понимание адаптивной эволюции растений и имеет значение для оптимизации использования пестицидов.

Глифосат — широко используемый гербицид широкого спектра действия. Он убивает растения, ингибируя фермент 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат синтазу (EPSPS), ключевой для биосинтеза незаменимых аминокислот. Некоторые растения, включая A. palmeri, могут развивать устойчивость к глифосату, резко повышая экспрессию гена EPSPS при стрессе, по сути, перенасыщая систему дополнительным ферментом и нейтрализуя действие гербицида.

Один из способов повысить экспрессию гена — создать его дополнительные копии. Амплификация генов — распространённый механизм избегания стресса. Амплифицированные гены часто содержатся во внехромосомных кольцевых ДНК (eccDNA), или репликонах — кольцах ДНК, которые реплицируются вне обычных линейных хромосом.

Молин и коллеги представили полную последовательность eccDNA-репликона, ответственного за устойчивость к глифосату у A. palmeri, раскрыли его структурную организацию и геномное содержание. Репликон содержит 59 генов, часть из которых (включая ген EPSPS) проявляют более высокую экспрессию после обработки устойчивых растений глифосатом. Структура eccDNA также включает сложное расположение повторяющихся последовательностей и мобильных генетических элементов (транспозонов), которые могут играть роль в его поддержании и репликации.

Как отметил автор Кристофер Саски: «Содержание ДНК в этом репликоне сложное. Секвенирование этого элемента было трудной задачей, и полная сборка стала возможной только с развитием технологии секвенирования на уровне одной молекулы».

С момента внедрения глифосата в 1970-х годах проблема устойчивых к нему сорняков в сельском хозяйстве растёт. Происхождение этого eccDNA-репликона неизвестно, но, вероятно, является результатом активации транспозонов и перестройки генома, которые могли быть спровоцированы использованием глифосата. Понимание структуры и функции репликона поможет узнать, как развивается и эволюционирует устойчивость к глифосату, и усовершенствовать стратегии применения гербицидов.

Авторы также выявили структурные особенности, указывающие на прикрепление (тетеринг) eccDNA к хромосомам, что может облегчать сохранение фрагмента во время клеточного митоза. Будущая работа будет сосредоточена на том, как eccDNA самореплицируется в растительных клетках, и на идентификации его ключевых функциональных элементов.

Это открытие может привести к «новым подходам в геномной инженерии и возможности экспрессии полезных агрономических признаков вне ядерного генома», — сказал Саски.