Исследователь стремится сделать деревья более устойчивыми в меняющемся климате
Катарина Брёйтигам, эпигенетик растений из Университета Торонто, хочет вырастить деревья, приспособленные к будущему климату.
Изучая растения на молекулярном уровне, Брёйтигам исследует, как деревья реагируют на внешние сигналы, такие как засуха, и как они записывают «воспоминания» о стрессе. Она также изучает их реакцию на внутренние сигналы — в частности, те, что определяют пол.
Цель — найти отдельные генотипы, которые можно адаптировать к меняющемуся климату. Быстро меняющаяся среда может не позволить деревьям — которые сами играют ключевую роль в климате планеты, смягчая уровень CO2 посредством фотосинтеза — размножаться достаточно быстро для стандартного естественного отбора, обрекая их на гибель в собственной среде обитания.
«В отличие от нас, деревья не мобильны, — говорит Брёйтигам. — Они зафиксированы на месте на очень долгое время. Для них важно акклиматизироваться в текущий момент (который для растения равен его жизни) и адаптироваться в эволюционном масштабе времени».
Пример: молодой тополь переживает аномально жаркое и засушливое лето. Это немедленно влияет на его рост. Если стресс повторяется, дерево может сделать «запись» рядом со своим геномом. Эта запись даст дереву способность реагировать на изменения среды иначе, чем тем, что никогда не испытывали жару. В каком-то смысле это дерево научилось справляться с изменениями и может передать эти знания следующему поколению.
«Обучает ли оно своих детей? Это горячо обсуждаемая тема в биологии, которую мы называем трансгенерационной молекулярной памятью. Мы знаем, что это происходит у короткоживущих растений», — говорит Брёйтигам.
Исследование «памяти» деревьев на примере бальзамического тополя
Работа Брёйтигам сосредоточена на бальзамическом тополе — доминирующем виде деревьев в Канаде.
Тополя растут от 5 до 10 лет до цветения, необходимого для производства семян. Но Брёйтигам берет черенки от своих деревьев и размножает их в контролируемых условиях в исследовательской теплице, прежде чем высадить на улицу.
«Мы видели, что они могут переносить эпигенетические метки или "воспоминания" в новое растение. Мы опубликовали часть этой работы и продолжаем изучать, как долго длится память, какие конкретные позиции в геноме затрагиваются, есть ли отдельные деревья, которые делают это больше или лучше, чем другие из той же популяции», — говорит исследователь.
Открытие «главного регулятора» пола
Брёйтигам и коллеги недавно идентифицировали сильного кандидата на роль главного регулятора пола у бальзамических тополей, используя геномную информацию, эпигенетические данные и машинное обучение.
«Если главный регулятор, "переключатель", включен, производится женское дерево. Выключен — мужское. Теперь мы работаем над тем, чтобы понять, как именно работает этот главный переключатель. Понимание этого может иметь значение для селекции», — объясняет Брёйтигам.
По её словам, можно многое узнать из того, как один и тот же геном может интерпретироваться во многих разных контекстах: типы клеток, стрессовые ситуации, разный возраст.
«Важно изучать, понимать и использовать решения, которые все эти организмы нашли для решения определенной проблемы».