Метилирование ДНК влияет на превосходство гибридных растений

Гетерозис (гибридная сила) — это явление, при котором гибридное растение или животное проявляет превосходящие признаки по сравнению с родителями. Исследовательская группа обнаружила, что ген, участвующий в поддержании метилирования ДНК, тесно связан с гетерозисом у Arabidopsis thaliana. Это открытие имеет потенциал для применения к другим крестоцветным овощам, таким как китайская капуста, и может привести к более эффективной селекции высокоурожайных культур. Результаты опубликованы 8 октября в онлайн-версии Proceedings of the National Academy of Sciences.

Гибридные растения обладают полезными для сельского хозяйства качествами, такими как увеличение биомассы и устойчивость к стрессу. Гибриды первого поколения (F1), выведенные для проявления этих признаков, широко культивируются. Например, кукуруза, рис и рапс сегодня являются гибридными сортами F1. Однако молекулярные механизмы этого явления остаются не до конца ясными.

Известно, что признаки растений определяются последовательностью ДНК (A, T, C, G). Однако даже при одинаковой последовательности могут наблюдаться разные признаки — это явление известно как эпигенетическая регуляция. Одним из её примеров является метилирование ДНК: добавление или удаление метильной группы к цитозину в эукариотических организмах изменяет экспрессию генов, не меняя саму последовательность ДНК. Недавние исследования показывают, что на гетерозис влияет не только генетика, но и эпигенетическая регуляция.

Гетерозис наблюдается у модельного растения Arabidopsis thaliana (семейство Капустные). Гибрид F1, полученный скрещиванием линий C24 и Columbia-0 (Col), демонстрирует увеличенную биомассу. Но причины этого превосходства над родителями до конца не изучены.

В данном исследовании команда использовала Arabidopsis thaliana с мутациями в генах, связанных с метилированием ДНК, чтобы выяснить, какие гены и эпигенетические модификации связаны с гетерозисом.

Различные гены совместно регулируют метилирование ДНК. Когда теряли функцию гены MET1 (метилтрансфераза 1, поддерживает CG-метилирование) и Pol IV (участвует в de novo метилировании через путь RdDM), аномалии в метилировании наблюдались, но на гетерозис это не влияло.

Однако у гибрида F1, созданного с использованием растения с нефункциональным фактором ремоделинга хроматина DDM1 (участвует в поддержании метилирования ДНК через изменение структуры хроматина), наблюдались аномалии в метилировании ДНК, и уровень гетерозиса был значительно ниже. Это продемонстрировало, что DDM1 тесно связан с гетерозисом, и эпигенетическая модификация (метилирование ДНК), регулируемая DDM1, важна для проявления гибридной силы.

Arabidopsis thaliana — крестоцветное растение, поэтому знания, полученные в этом исследовании, могут быть применены к другим растениям этого семейства: китайской капусте, капусте, брокколи и рапсу. Это потенциально может быть использовано для выведения высокоурожайных сортов. Команда также исследует гетерозис на примере китайской капусты.