Прорыв в использовании эпигенетической вариации для селекции сельскохозяйственных культур

Эпигенетическая вариация, как и генетическая, может наследоваться и влиять на признаки в последующих поколениях. При этом она не затрагивает саму последовательность ДНК. Эпигенетические маркеры и модификации в геноме влияют на то, как генетическая последовательность экспрессируется, например, включая или выключая гены в ответ на факторы окружающей среды.

Использование этого знания может значительно расширить доступное для исследователей и селекционеров разнообразие признаков для создания более устойчивых к климату и болезням культур.

Известно, что метилирование ДНК — наследуемый эпигенетический процесс у растений, в котором важен ген MET1. Однако изучение его эффектов было затруднено, так как полное «нокаутирование» (отключение) этого гена методами генной инженерии приводит к гибели растений.

Группа доктора Филиппы Боррилл в Центре Джона Иннеса решила эту проблему, обратившись к сложному геному пшеницы, который содержит три копии гена MET1. В исследовании, опубликованном на сервере препринтов bioRxiv, они использовали мутагенез, чтобы нокаутировать некоторые, но не все копии гена, и наблюдали за эффектами.

Результаты исследования:

• Были получены частичные эпигенетические мутанты с изменённым метилированием ДНК, демонстрирующие наследуемые признаки, полезные для селекции. Например, был идентифицирован образец с изменённым временем цветения — ключевым признаком для адаптации пшеницы к разным условиям.
• Наблюдаемые признаки зависели от количества нокаутированных копий гена, при этом нокаут всех трёх копий оставался летальным.
• Неожиданным результатом стало то, что изменения в метилировании ДНК не повлияли на количество пыльцы и фертильность растений.

«Это первые эпигенетические мутанты пшеницы, — отмечает доктор Боррилл. — Сложный геном пшеницы, часто бывший препятствием в прошлом, в данном случае оказался преимуществом. Наличие нескольких копий гена MET1 позволило выращивать частичных мутантов — здоровые растения с частичными изменениями».

Этот прорыв, использующий частичные мутации, может быть применён к другим культурам и генам, нокаут которых ранее оказывался летальным.

«Генетическую вариацию можно сравнить с изменением конкретных слов в главе книги. Эпигенетическая вариация не меняет сами слова, она скорее похожа на выделение определённых слов или добавление закладки. Это даёт нам дополнительную гибкость для изменения генома и, в конечном счёте, характеристик растений», — пояснила доктор Боррилл.

Сейчас группа изучает, почему именно у мутантов MET1 возникают новые признаки, и в какой степени эти изменения вызваны непосредственно изменениями в метилировании. Также проводятся эксперименты по проверке стабильности этих изменений в последующих поколениях, что критически важно для их использования в селекции.