Найден новый способ передачи признаков у растений: наследование у кукурузы нарушает принятые правила генетики

Новое исследование показывает, как определённые признаки могут передаваться из поколения в поколение у растений, не следуя общепринятым правилам генетики.

Учёные продемонстрировали, что фермент в кукурузе, отвечающий за считывание информации с ДНК, может вызывать неожиданные изменения в активности генов — это пример эпигенетики.

Эпигенетика относится к модификациям генома, которые не влияют напрямую на последовательности ДНК. Хотя некоторые данные указывали, что эпигенетические изменения могут передаваться следующему поколению, минуя прямое влияние ДНК, это первое исследование, показывающее, что такое эпигенетическое наследование может подвергаться искусственному отбору.

Исследователи скрещивали 10 поколений кукурузы и обнаружили, что активность одного конкретного гена сохранялась из поколения в поколение независимо от того, функционировал фермент или нет. Это означает, что для проявления признака, контролируемого этим геном, не требовалось типичного генетического поведения.

Учёные установили, что причина в том, что фермент нацелен на крошечный фрагмент ДНК, ранее считавшийся «мусорной ДНК». Этот фрагмент переместился из одной области генома в другую, получив способность неожиданно активировать ген.

Речь идёт о гене, влияющем на пигментацию растения кукурузы. В результате экспериментов исследователям удалось изменить жёлтую кукурузу на разновидность с синими зёрнами, подавляя активность фермента у каждого растения-отца.

«Это первый пример, когда кто-то смог взять эпигенетический источник изменчивости и путём искусственного отбора перевести его из неактивного состояния в активное», — сказал Джей Холлик, ведущий автор исследования. — «Ген меняет свою экспрессию эпигенетическим путём, и это не следует стандартным правилам наследования. Эти два фактора сами по себе имеют серьёзные последствия не только для селекции, но и для эволюции».

Исследование опубликовано в журнале The Plant Cell.

Ожидания селекционеров обычно основаны на менделевских принципах наследования. Однако эпигенетические вариации, меняющие предсказуемость поведения генов, усложнили эти ожидания.

«Эпигенетическая наследственность нарушает ожидания, но наши findings также предоставляют возможность — если селекционеры поймут, что нужная им изменчивость имеет эпигенетическую природу, они могут использовать это в своих интересах», — отметил Холлик.

Холлик и его коллеги сосредоточились на ферменте РНК-полимераза IV (Pol IV), который производит малые молекулы РНК. В отличие от модельного растения Arabidopsis, у кукурузы отсутствие Pol IV вызывает явные проблемы, например, развитие семян в метёлке.

Учёные также наблюдали, что растения с дефицитом Pol IV проявляли пигментацию в зёрнах, которые должны были оставаться жёлтыми. Молекулярный анализ подтвердил, что это связано с экспрессией гена-регулятора пигмента в ткани, где он в норме не активен.

Отбирая тёмные и светлые зёрна в течение многих поколений и скрещивая полученные из них растения, исследователи смогли усилить пигментацию.

«Мы могли отбирать крайние типы, скрещивать их и получать continued интенсификацию пигментации на протяжении многих поколений. Мы получили больше потомства с увеличивающимся количеством пигмента. По сути, мы выводили новый признак, но не отбирая какой-либо конкретный ген. Мы просто постоянно меняли эпигенетический статус одного из двух родительских геномов», — пояснил Холлик.

Исследование вопроса показало, что на затронутые аллели гена пигментации влияет присутствие поблизости транспозона — небольшого фрагмента ДНК, переместившегося в геноме. Поскольку последовательности некоторых малых РНК, образующихся при активности Pol IV, идентичны последовательностям этих транспозонов, эта находка стала для учёных логичным объяснением.

«Теперь, когда мы знаем, что Pol IV участвует в регуляции транспозонов, неудивительно, что гены, расположенные рядом с транспозонами, также регулируются Pol IV», — заключил Холлик.