Новый метод картирования генетических «выключателей» для создания устойчивых к климату сельскохозяйственных культур
Естественная генетическая изменчивость обеспечивает биоразнообразие, но для адаптации растений к быстро меняющемуся климату у эволюции нет тысячелетий. Чтобы обеспечить глобальную продовольственную безопасность, необходимо ускорить поиск природных вариантов ДНК, улучшающих устойчивость сельскохозяйственных культур.
Исследовательская группа под руководством докторов Томаса Хартвига и Юлии Энгельхорн из Института молекулярной физиологии HHU и MPIPZ представила в журнале Nature Genetics новый эффективный метод картирования генетических «выключателей» растений. Эти небольшие участки генома, не являющиеся самими генами, определяют, когда, где и в какой степени ген активен, подобно диммеру, регулирующему яркость лампы.
Исследование показывает, что ключевые различия между растениями — например, в размере или устойчивости к болезням и стрессу — часто определяются не самими генами, а именно этими регуляторными переключателями. Однако традиционно их сложно точно локализовать и определить, какие изменения играют решающую роль. Новая масштабируемая методика картирования меняет эту ситуацию.
Команда проанализировала 25 различных гибридов кукурузы и выявила более 200 000 областей в геноме, где естественные вариации влияют на регуляторные переключатели.
Юлия Энгельхорн, ведущий автор: «Хотя эти регуляторные переключатели составляют менее 1% генома, их вариации часто объясняют существенную долю наследуемых различий признаков — иногда превышая половину».
Томас Хартвиг, автор-корреспондент: «Понимание того, как работают эти переключатели, дает мощный новый инструмент для повышения как устойчивости сельскохозяйственных культур, так и их урожайности — закладывая основу для более умных процессов селекции в будущем».
Метод был применен специально к признакам, связанным с засухой. Ученые идентифицировали более 3500 индивидуальных регуляторных переключателей и связанных с ними генов, через которые растения реагируют на условия недостатка воды.
Юлия Энгельхорн: «Наш подход позволяет напрямую сравнивать различия в вариантах переключателей, унаследованных по материнской и отцовской линиям, в одном эксперименте. Мы можем предложить сообществу исследователей кукурузы ресурс из более чем 3500 регуляторных участков, связанных с засухой, открывая новые возможности для тонкой настройки экспрессии генов в целях повышения устойчивости».
Томас Хартвиг: «Точность этого картирования позволяет нам, изучая естественные различия в переключателях, понять, как они работают, что, в свою очередь, позволяет целенаправленно манипулировать ими для создания растений с улучшенными признаками».
Исследование проводилось в сотрудничестве с командой из Калифорнийского университета в Дэвисе. Соавтор работы доктор Саманта Снодграсс подчеркивает смену парадигмы:
«Несмотря на десятилетия успешных исследований, большая часть генома — части вне генов — остается «черным ящиком». Этот новый метод приоткрывает завесу и позволяет нам определить функцию этих некодирующих областей, предоставляя биологам и селекционерам новые, точные цели для исследовательских и селекционных подходов».
Работа выполнена в рамках кластера передовых исследований CEPLAS по наукам о растениях в HHU и MPIPZ.