Геномная гимнастика помогает сорго выживать в засуху

Сорго — зерновая культура, родом из Африки и Австралии, — остается зеленой и продуктивной даже в условиях, которые сделали бы другие растения коричневыми, ломкими и бесплодными.

Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые подробно показывает, как растение осуществляет тонкий контроль над своим геномом — включает и выключает определенные гены при первых признаках нехватки воды и снова при ее возвращении, — чтобы выжить в суровых и засушливых условиях.

"Сорго действительно устойчиво к засухе, и если мы поймем, как ему это удается, то, возможно, сможем помочь и другим растениям выживать таким же образом", — говорит Пегги Лемо, соавтор статьи.

Огромный набор данных, собранный из 400 образцов растений сорго, выращенных в течение 17 недель в открытом поле в Калифорнийской долине, показывает, что растение модулирует экспрессию в общей сложности 10 727 генов (более 40% своего генома) в ответ на стресс от засухи. Многие из этих изменений происходят в течение недели после пропуска полива или после первого полива после нескольких недель без воды.

Данные были собраны в рамках проекта EPICON (Epigenetic Control of Drought Response in Sorghum) — пятилетнего исследования стоимостью $12,3 млн, посвященного выживанию сорго в условиях засухи. Исследование проводится в партнерстве между учеными UC Berkeley, UC Agriculture and Natural Resources (UC ANR), Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL).

Команда выращивала растения сорго в течение трех лет в трех различных режимах полива (засуха до цветения, засуха после цветения и контрольный полив) в исследовательском центре KARE в Калифорнии.

Каждую неделю исследователи собирали образцы листьев и корней, оперативно замораживали их в полевой лаборатории и затем анализировали. Специалисты JGI проводили секвенирование РНК для создания данных транскриптома, показывающих, какие гены активны в конкретное время. Статистики под руководством Элизабет Пёрдом из UC Berkeley анализировали массив данных, чтобы выявить изменения в экспрессии генов в ответ на засуху или восстановление.

Исследователи обнаружили несколько интересных закономерностей:

1. Набор генов, помогающих растению формировать симбиоз с определенным типом грибов вокруг корней, отключался в условиях засухи. Это были самые резкие изменения в активности генов.
2. Некоторые гены, связанные с фотосинтезом, также отключались при засухе и включались при восстановлении водного режима.

Данные в текущей статье отражают транскриптом растения в течение одного сезона. В будущем команда планирует опубликовать данные за другие два года эксперимента, а также протеомные и метаболомные данные.

"Люди обычно избегали проведения таких экспериментов в полевых условиях, предпочитая контролируемые лабораторные условия. Но я верю, что наши инвестиции времени и ресурсов окупятся качеством ответов о том, как растения справляются с засухой в реальном мире", — отмечает Пегги Лемо.