Открытие 3D-петли ДНК в рисе прокладывает путь к повышению урожайности с меньшим количеством удобрений

Китайские учёные обнаружили скрытую 3D-структуру в ДНК риса, которая позволяет культуре давать больше зерна при меньшем использовании азотных удобрений. Открытие, опубликованное в Nature Genetics исследователями из Китайской академии наук (CAS), может направить следующую "зелёную революцию" на повышение урожайности и устойчивости сельского хозяйства.

Исследование показывает, что петлевой участок ДНК — "хроматиновая петля" — контролирует активность гена RCN2, который управляет формированием у риса несущих зерно ветвей (метёлок). Регулирование этой петли повысило как урожайность, так и эффективность использования азота (NUE) — два признака, которые обычно конфликтуют друг с другом.

Чтобы понять, как происходит эта координация, исследователи идентифицировали главный генетический регион — локус количественного признака qINCA2. Он влияет на фотосинтез, ассимиляцию азота и число зёрен. Внутри этого региона учёные обнаружили однонуклеотидный полиморфизм (SNP), расположенный в 8765 парах оснований выше гена RCN2.

Это крошечное изменение ДНК резко повысило активность RCN2. Белок RCN2 затем изменил взаимодействие двух других молекул — OsSPL14 и DELLA. Ослабляя их связь, RCN2 освободил транскрипционный фактор OsSPL14, чтобы активировать гены, ответственные за метаболизм углерода и азота и развитие метёлки. Эта цепная реакция позволила растениям риса производить больше зёрен и эффективнее использовать азот.

Исследование показало, что регион, содержащий SNP, также несёт серию тандемных повторов ДНК — CCCTC-мотивов, известных у животных как якоря для 3D-петель в хроматине. Группа под руководством профессора Фу Сяндуна идентифицировала OsYY1 как первый растительный белок, действующий подобным образом. OsYY1 связывается с CCCTC-богатыми последовательностями ДНК рядом с RCN2 и способствует экструзии хроматиновых петель, изменяя трёхмерную архитектуру генома. Этот механизм замыкания петли определяет, будет ли ген RCN2 включён или выключен, сближая удалённые регуляторные элементы с его промоторной областью.

Точно редактируя эти регуляторные последовательности ДНК, исследователи смогли точно настроить хроматиновое замыкание петли в локусе RCN2. Результатом стало усиление потока углеродных соединений от тканей-источников к развивающимся зёрнам (тканям-потребителям), что привело к повышению индекса урожая (HI), большей урожайности и лучшей NUE даже в условиях низкого азота.

Это открытие представляет экструзию хроматиновой петли как новый механизм для улучшения сельскохозяйственных культур. Помимо непосредственных последствий для риса, оно открывает двери для стратегий селекции следующего поколения, которые могут помочь накормить растущее население планеты с меньшими экологическими издержками.