Эпигенетика раскрывает механизмы адаптации растений к условиям по всему миру

Ученые из Института биологических исследований Солка выявили закономерности эпигеномного разнообразия, которые не только позволяют растениям адаптироваться к различным условиям, но также могут быть полезны для растениеводства и изучения болезней человека.

Результаты, опубликованные 6 марта в Nature, показывают, что помимо генетического разнообразия растений по всему миру, их эпигеномный состав столь же разнообразен, как и среда их обитания. Эпигеномика изучает паттерны химических маркеров, которые служат регуляторным слоем поверх последовательности ДНК. В зависимости от места произрастания, эпигеномные различия растений могут позволять им быстро адаптироваться к окружающей среде.

Эпигеномные модификации изменяют экспрессию генов, не меняя "букв" генетического алфавита (A-T-C-G), предоставляя клеткам дополнительный инструмент для тонкой настройки того, как гены управляют клеточными механизмами. Эти изменения происходят не только у растений, но и у людей.

"Мы изучили растения, собранные по всему миру, и обнаружили, что их эпигеномы удивительно различны", — говорит старший автор Джозеф Р. Экер, профессор Лаборатории биологии растений Солка. — "Это дополнительное разнообразие может создавать способ для растений быстро адаптироваться к разнообразным условиям без каких-либо генетических изменений в их ДНК, что занимает очень много времени".

Понимая эпигеномные изменения у растений, ученые смогут манипулировать ими для различных целей, включая производство биотоплива и создание сельскохозяйственных культур, способных выдерживать стрессовые события, такие как засуха. Эти знания могут подсказать производителям, на что делать ставку в селекции, и оказать огромное влияние на выявление растений, которые могут выживать в определенных условиях и адаптироваться к экологическим стрессорам.

Используя метод MethylC-Seq для картирования эпигеномных изменений, разработанный Экером, исследователи проанализировали паттерны метилирования в популяции Arabidopsis thaliana — скромного сорняка из семейства капустных, который для биологии растений стал тем же, чем лабораторные мыши для биологии животных. Растения происходили из различных климатических зон Северного полушария, от Европы до Азии и от Швеции до островов Зеленого Мыса. Команда Экера изучила геномы и метилома этих растений, что является первым шагом к пониманию влияния эпигенетических изменений на физические характеристики растений и их способность адаптироваться к среде.

"Мы ожидали вариаций в паттернах метилирования среди групп растений со всего земного шара", — говорит соавтор Роберт Дж. Шмитц. — "Однако их количество оказалось гораздо больше, чем мы когда-либо предполагали".

Анализируя эти паттерны, команда смогла оценить их влияние на активность генов в геноме растений. Ученым известно, что метилирование может инактивировать гены, но, в отличие от мутаций ДНК, паттерны метилирования обратимы, что дает растениям возможность временно активировать гены. Идентификация эпигенетически регулируемых генов значительно сузила круг потенциальных кандидатов, важных для адаптации к окружающей среде.

Метилирование и связанное с ним "заглушение" генов также происходит у людей, что имеет значение для лечения рака, отличительной чертой которого является "выключение" генов-супрессоров опухолей.

"Если эти гены выключены эпигеномом, их потенциально можно снова включить, удалив метильные группы с ДНК", — говорит соавтор Мэтью Шульц.

Понимание того, как эти варианты метилирования формируются в природе, будет способствовать лучшему конструированию эпигеномов.

Команда Экера планирует далее изучить, как вариации метилирования влияют на признаки растений. Они исследуют стресс-индуцированные эпигеномные изменения и то, как они могут дать подсказки о том, какие именно изменения наиболее важны для растений.