Исследование раскрывает регуляторные особенности генома кукурузы на ранних стадиях репродуктивного развития

Рост и развитие всех организмов зависят от скоординированной регуляции экспрессии генов во времени и пространстве, что в значительной степени контролируется некодирующими последовательностями в геноме. Основная задача в улучшении сельскохозяйственных культур с помощью геномики — функциональная аннотация цис-регуляторных элементов в геномах растений и возможность использовать эти последовательности (через селекцию или биотехнологии) для тонкой настройки целевых путей с минимальным нарушением сложных сетей, в которых они находятся.

Команда исследователей под руководством Андреа Ивленд, доктора философии, ассистент-члена Центра наук о растениях Дональда Данфорта, картировала некодирующий «функциональный» геном кукурузы в критическое раннее окно развития, когда формируются несущие пыльцу метёлки и несущие зерно початки.

Интегрируя данные о структуре хроматина, профилях транскриптов и полногеномных ассоциативных исследованиях (GWAS), их анализ даёт всесторонний взгляд на регуляцию дифференцировки соцветия у важной зерновой культуры. Это в конечном итоге определяет архитектуру растения и влияет на потенциал урожайности. Исследование Париватханени и Бертолини и др. «Регуляторный ландшафт раннего развития соцветия кукурузы» было опубликовано 6 июля 2020 года в журнале Genome Biology.

«Благодаря многолетним исследованиям в области классической генетики у нас есть хорошее представление об основных регуляторах развития соцветия у кукурузы, — сказала Ивленд. — Но простое удаление их функции или конститутивная экспрессия обычно не приводит к повышению урожайности кукурузы. Нам нужно научиться точно регулировать их экспрессию в пространстве и времени для достижения оптимальных результатов. Это исследование служит основой для этого».

За последнее столетие гибридная селекция и улучшение кукурузы привели к отбору растений с более мелкими метёлками, которые перехватывают меньше света и потребляют меньше ресурсов, и с более крупными, продуктивными початками. Поскольку метёлка и початок развиваются по общей генетической программе, дальнейшее улучшение признаков початка потребует её «развязки», например, с помощью метёлочно- или початко-специфичных регуляторных элементов. Понимание того, как одни и те же гены регулируются по-разному в метёлке и початке, и использование этой специфичности для контроля одного над другим, улучшит селекционные усилия в кукурузе.

Исследование Ивленд сосредоточено на механизмах развития, контролирующих архитектурные признаки у зерновых культур. В частности, она изучает, как органы растений формируются из стволовых клеток и как вариации в лежащих в основе генно-регуляторных сетях могут точно модулировать форму растения. Её команда интегрирует как вычислительные, так и экспериментальные подходы, чтобы изучить, как изменения в этих генных сетях могут изменять морфологию — как внутри вида, так и среди злаков. Конечная цель — определение мишеней для повышения урожайности зерновых.

Помимо команды Ивленд, в число соавторов входят исследователи из Университета штата Флорида, Калифорнийского университета в Дэвисе и Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн. Совместное исследование финансировалось Национальным научным фондом (NSF PGRP) в рамках грантов Ивленд и соавтору Александру Липке, доктору философии (UIUC), для выявления регуляторной изменчивости с целью улучшения признаков урожайности кукурузы, и Хэнку Бассу, доктору философии (FSU), для применения методов профилирования хроматина к важным агрономическим культурам.