Генетические переключатели, связанные с климатом, обнаружены у растений

Впервые экспериментально подтверждено существование у растений генетических вариантов, которые могут действовать как переключатели, направляющие структурные изменения в молекулах РНК, кодирующих белки. Эти изменения структуры РНК могут влиять на её стабильность, взаимодействие с другими молекулами и эффективность трансляции в белок — всё это воздействует на её функцию и признаки растения. Такие генетические переключатели могут быть важным механизмом, позволившим растениям адаптироваться к микроклимату в прошлом, и могут стать ключевыми для будущей адаптации и создания устойчивых культур по мере изменения климата.

Исследование, проведённое учёными из Penn State, опубликовано в журнале Genome Biology.

Белки, основные структурные и функциональные молекулы жизни, кодируются РНК, которая, в свою очередь, кодируется ДНК. Не все изменения последовательности ДНК влияют на белок. Недавно генетические варианты, которые не обязательно меняют кодируемый белок, но изменяют сворачивание РНК, были связаны с болезнями человека. Учёные решили выяснить, существуют ли подобные механизмы у растений и могут ли они зависеть от факторов окружающей среды.

ДНК — двухцепочечная молекула. РНК — одноцепочечная, но она не линейна: она сворачивается, образуя короткие двухцепочечные участки. Эта вторичная структура важна для функции РНК.

Свёрнутую структуру молекулы РНК могут изменять генетические варианты, известные как SNP (однонуклеотидные полиморфизмы) — места в геноме, где одна "буква" ДНК различается у особей. Такие SNP, изменяющие структуру РНК, называют "рибосничами" (riboSNitches), от слов "РНК", "SNP" и "переключатель" (switch).

Исследователи изучали Arabidopsis — модельный организм в биологии растений. Используя разработанный ими набор вычислительных инструментов CLIMtools, они определили связи между генетическими вариациями у образцов Arabidopsis, собранных по всему миру, и климатическими переменными их мест обитания.

Учёные нашли SNP, ассоциированные с температурными переменными, и проверили, действуют ли какие-то из них как рибосничи. Они сузили поиск, отобрав SNP, также связанные с изменением количества РНК (что часто является следствием изменения её структуры), и с помощью алгоритма предсказали структурные изменения. Для экспериментальной проверки были выбраны два гена.

Исследователи протестировали стабильность коротких синтетических молекул РНК, содержащих потенциальные рибосничи, по сравнению со стандартной последовательностью, в диапазоне температур. SNP в обоих генах действовали как рибосничи, причём один из них изменял стабильность структуры РНК температурно-зависимым образом. Учёные предлагают термин "условные рибосничи" для обозначения рибосничей, зависящих от переменных окружающей среды.

После экспериментального подтверждения существования рибосничей команда провела масштабное вычислительное исследование, чтобы предсказать потенциальные рибосничи в геномах сотен различных секвенированных разновидностей Arabidopsis. Из более чем 3.8 миллиона оценённых SNP, свыше миллиона (около 27%) имеют потенциал действовать как рибосничи.

Растения не могут перемещаться, поэтому адаптация к местной среде способствует выживанию. Рибосничи — ещё один инструмент в генетическом арсенале растений для такой адаптации, и они могут быть обусловлены факторами окружающей среды.

С помощью CLIMtools команда создала набор ресурсов для изучения взаимосвязей между генетической изменчивостью Arabidopsis и окружающей средой. Это поможет научному сообществу лучше понять, как растения адаптировались к местным условиям и как они могут продолжать процветать в условиях меняющегося климата. Инструмент размещён в онлайн-портале Gramene для сравнительной функциональной геномики.

Исследование объединило методы биофизики, молекулярной биологии и экологии. Открытие того, что вариации в последовательности могут проявляться в вариациях структуры РНК, имеет долгосрочные последствия для управления урожайностью сельскохозяйственных культур в условиях неблагоприятных климатических изменений.