Разгадана тайна полосатого ячменя

Растения с зелеными листьями и стеблями — обычное зрелище. Однако эта окраска обеспечивается хлоропластами — хлорофилл-содержащими органеллами, которые преобразуют солнечную энергию в химическую. Из-за их фундаментальной роли хлоропласты и их способность окрашивать растения давно находятся в фокусе исследований. Генетически нарушенные хлоропласты, которые не вырабатывают пигменты или делают это частично, используются для идентификации генов и понимания молекулярных механизмов в растительных клетках.

Одним из таких растений, демонстрирующих эффект мутировавших хлоропластов, является ячмень Albostrians. Вместо зеленых листьев у этого злака есть зелено-белые полосы — эффект, называемый вариегацией. Хотя ученые давно используют мутанты albostrians для исследований, лежащий в основе этого эффекта ген был неизвестен до недавнего времени.

Группа ученых из Института генетики растений и исследований культурных растений им. Лейбница (IPK) в Гатерслебене совместно с исследователями из Берлинского университета им. Гумбольдта и KWS LOCHOW GmbH идентифицировала ответственный ген HvAST, вызывающий фенотип albostrians, что дает новые представления о развитии хлоропластов.

Хлоропласты — это зеленые пластиды, выполняющие фотосинтез. Их биогенез (созревание из пропластид) зависит от синергической экспрессии белков, закодированных как в ядерном, так и в пластидном геноме. Поскольку пластидный геном кодирует лишь небольшую часть необходимых белков, основная масса поступает из ядерного генома. Следовательно, мутации в ядерных генах могут легко приводить к дефектным хлоропластам.

В то время как функционирующие хлоропласты критически важны в природе, нарушенные хлоропласты имеют большую ценность для исследований. Мутанты, приводящие к изменению окраски растений, используются как генетические инструменты для идентификации генов, вовлеченных в биогенез хлоропластов. Особый интерес представляют мутации, приводящие к вариегации — появлению участков разного цвета (белого, желтого, зеленого) на растении. Этот фенотип вызван присутствием как нормальных, так и дефектных хлоропластов в разных секторах одной и той же ткани растения.

Ячмень Albostrians с его зелено-белыми полосами — известный пример растительного мутанта, демонстрирующего вариегацию. Однако выяснение механизма, ведущего к этому специфическому фенотипу, ранее сдерживалось тем, что причинный ген был неизвестен.

Используя позиционное клонирование, ген ALBOSTRIANS был идентифицирован как CCT-доменный ген HvAST. Ученые дважды подтвердили функциональность гена:

1. Индуцировав нокаут химической мутацией и обнаружив ответственный мутировавший ген с помощью TILLING.
2. Индуцировав мутации с помощью точного редактирования гена, опосредованного РНК-направленной эндонуклеазой Cas9.

Кроме того, HvAST оказался гомологом гена транскрипционного фактора AtCIA2 с CCT-мотивом у растения Arabidopsis thaliana. Однако, хотя AtCIA2, как сообщается, участвует в экспрессии ядерных генов и играет ключевую роль в биогенезе хлоропластов, исследователи с удивлением обнаружили, что содержащий CCT-домен белок HvAST у ячменя локализован в пластидах, и не нашли четких доказательств его ядерной локализации. Тем не менее, HvAST, предположительно, имеет важную функцию для образования пластидных рибосом на ранних стадиях развития зародыша и, как следствие, для развития хлоропластов.

"С начала 1950-х годов ученые изучали вариации пигментации, поскольку это явление позволяет получить представление о важных функциях и регуляции генов, а значит, об основах генетики живых организмов. В настоящей работе нам удалось идентифицировать один из ключевых генов, участвующих в этом процессе", — говорит профессор д-р Нилс Штайн из IPK.

"Новое понимание роли этого белка, содержащего CCT-домен, и, что более важно, идентификация гена, лежащего в основе фенотипа "albostrians", теперь могут быть использованы для новых углубленных исследований механизмов мутанта ячменя и, вероятно, будут способствовать новым исследованиям в области вариегации листьев и развития хлоропластов", — добавляет д-р Виктор Корзун, ведущий исследователь KWS SAAT SE.