Выживание растений: ИИ-анализ изменений хроматина при зимнем покое пазушных почек

Растения эволюционно приспособились выживать в неблагоприятных условиях. Зимняя почка — ключевая структура, обеспечивающая адаптацию. В зависимости от внешних и внутренних факторов почки могут переходить между состоянием роста и покоя. Существуют три фазы покоя, определяемые сигналами, их запускающими:

• Экодормантность — под влиянием факторов среды.
• Парадормантность — регулируется другими органами растения.
• Эндормантность — поддерживается внутренними сигналами внутри почки.

Парадормантные почки переходят в эндормантность осенью в ответ на изменение длины дня и/или низкую температуру. Переход от пара- к эндормантности — защитный механизм для почки. Эпигенетический механизм, запускающий эндормантность, изучен недостаточно.

В исследовании, опубликованном в Tree Physiology 21 июня 2024 года, доцент Таканори Саито и его коллеги изучили эпигенетические модификации структур хроматина и транскрипционные изменения, которые позволяют пазушным почкам яблони "Фуджи" распознавать температуру.

Результаты были дополнительно проанализированы с помощью моделей глубокого обучения (ИИ) и статистического анализа. Соавторами работы выступили доктора Шаншань Ван, Кацуя Окава, Хитоси Охара и Сатору Кондо из Высшей школы садоводства Университета Тиба.

Одна из целей исследования — понять работу дифференциально экспрессируемых генов (DEGs) при переходе от пара- к эндормантности. На начальной стадии покоя активировались гены, связанные с клеточным ответом на гипоксию, защитным ответом на абсцизовую кислоту (ABA) и циркадным ритмом. Также авторы выяснили, что истощение нуклеосом не коррелировало с транскрипционным паттерном.

«Напротив, среди DEGs, хотя и наблюдался сдвиг позиции нуклеосом в предполагаемых промоторах, разницы в заполнении нуклеосомами между генами с повышенной и пониженной экспрессией в большинстве тел генов во время перехода фазы покоя пазушной почки не наблюдалось», — поясняет доктор Саито.

Cis-регуляторные элементы (CREs) — короткие последовательности ДНК, влияющие на экспрессию генов. Авторы также изучили связь между транскрипционными изменениями и CREs с помощью модели глубокого обучения ИИ.

«Были обнаружены CREs, связанные с клеточным циклом, циркадным ритмом и TATA-боксом. В частности, важность циркадного ритма для генов с пониженной экспрессией также соответствовала транскрипционным изменениям», — говорит доктор Саито.

Данные также показали, что сигналы COL9, возможно, участвуют в изменении уровня CO для запуска покоя почек.

В отличие от большинства ИИ-исследований эпигенетики, использующих большие наборы данных, их модель работает с малыми данными. Несмотря на это, байесовский статистический анализ связал эпигенетические изменения с транскрипцией генов, участвующих в регуляции зимних почек. Такой ИИ-подход может улучшить эпигенетический анализ, особенно для немодельных растений с менее развитыми геномными базами данных.

«Совокупные результаты нашего исследования с использованием глубокого обучения показали, что основанная на циркадном ритме система индукции покоя пазушных почек, запускаемая холодом, настраивается колебаниями отдельных нуклеосом», — отмечает доктор Саито.

Эти открытия могут помочь в разработке более эффективных стратегий для поддержания устойчивого производства сельскохозяйственных культур, растений и деревьев в условиях глобального потепления.