Учёные обнаружили ключевые повторы кодонов, регулирующие устойчивость риса к холоду
Исследование группы профессора Чон Кана из Института ботаники Китайской академии наук (CAS) выявило новый, подвергшийся доместикации, механизм репарации повреждений ДНК у риса, обеспечивающий устойчивость к холоду. Механизм связан с повторами кодонов в одном сайте гена.
Результаты опубликованы в Science Advances.
Из-за глобального изменения климата и учащения экстремальных погодных явлений устойчивость сельхозкультур к перепадам температур стала критически важной для стабильных урожаев. Хотя растения эволюционно развили защитные механизмы, повреждения ДНК при холодовом стрессе всё равно происходят, ослабляя защиту. Их регуляторный механизм оставался малоизученным.
В этом исследовании группа профессора Чона совместно с коллегами использовала комбинированный подход популяционной генетики, геномики, клеточной и эволюционной биологии для поиска новых модулей устойчивости к холоду.
Учёные провели объединённый полногеномный поиск ассоциаций (DM-GWAS) на основе многомерного шкалирования. GWAS с объединёнными фенотипическими данными выявил ряд локусов. Один из них — qCTS11-1 на хромосоме 11 — вносит значительный вклад в устойчивость риса к холоду. С помощью точного картирования был идентифицирован его главный ген — COLD11. Мутации потери функции в этом гене приводили к снижению устойчивости к холоду.
В первом экзоне гена COLD11 у чувствительных к холоду сортов indica и устойчивых сортов japonica наблюдались разные типы повторов кодонов GCG, кодирующих аланин. Число повторов кодона GCG имело чёткую положительную корреляцию с устойчивостью к холоду. Эволюционный анализ геномов показал, что множественные повторы последовательности GCG подвергались сильному отбору при доместикации в процессе расширения посевов риса на север.
Более того, COLD11 кодирует белок репарации ДНК, играющий ключевую роль в восстановлении двунитевых разрывов ДНК. Количество повторов GCG в его первом экзоне положительно коррелировало с его биохимической активностью. Это первое сообщение о подвергшемся доместикации механизме репарации повреждений ДНК и соответствующих ему элитных модулях, связанных с холодовым стрессом.
Используя DM-GWAS для двух подвидов риса (japonica и indica), сильно различающихся по устойчивости к холоду, исследование показало, что COLD11 является главным геном количественного признака (QTL) для устойчивости к холоду.
Открытие ключевых повторов кодонов в первом экзоне COLD11, подтверждённое филогенетическим и географическим анализом, открывает путь для точной регуляции устойчивости риса к холоду через один сайт. Это потенциально полезный молекулярный модуль для улучшения этого признака у риса методами молекулярного дизайна.