Среда вызывает полезные мутации генов у растущих растений; изменения передаются потомству

Если взять образцы с верхушки и основания высокого секвойи, сравнение покажет, что их ДНК различаются. Это основа спорных результатов исследований Кристофера А. Каллиса, заведующего кафедрой биологии в Университете Кейс Вестерн Резерв.

Каллис, более 40 лет изучающий мутации у растений (в последнее время — льна, Linum usitatissimum), обнаружил, что среда не только отсеивает вредные и бесполезные мутации через естественный отбор, но и фактически влияет на полезные мутации.

Его выводы были опубликованы в International Journal of Genetics and Molecular Biology и повторены в Journal of Visualized Experiments, где он предложил другим ученым воспроизвести его эксперимент.

Суть исследования

Каллис сосредоточился на мутациях, связанных с появлением небольшой последовательности ДНК, известной как LIS-1, и на том, как среда влияет на эти изменения.

Спорность идеи в том, что среда изменяет организмы по мере их роста, и эти изменения передаются по наследству. Хотя эта теория изначально принималась, позже она была отвергнута, поскольку выяснилось, что животные передают ДНК через половые клетки (гаметы), на которые среда не влияет. Предполагалось, что для растений действует тот же принцип, но исследования Каллиса говорят об обратном.

Эксперимент с льном

В исследовании три отдельные линии льна сорта Stormont Cirrus («пластичная», «короткая» и «высокая») выращивались в трех разных условиях.

Каждая линия была выведена в течение нескольких поколений в разных условиях:

• Пластичная линия — предки выращивались в контрольных условиях.
• Короткая линия — предки выращивались в условиях низкого содержания питательных веществ.
• Высокая линия — предки выращивались в условиях избытка питательных веществ.

Эксперимент показал, что каждая линия по-разному реагировала на каждое условие, в соответствии со средой, в которой выращивались ее предки:

• Пластичная линия обгоняла другие в контрольных условиях.
• Короткая линия обгоняла другие при нехватке питательных веществ.
• Высокая линия лучше всего росла при изобилии питательных веществ.

Роль среды в одном поколении

Чтобы подтвердить утверждение, что среда может за одно поколение способствовать закреплению полезных мутаций, ученые использовали полимеразную цепную реакцию (PCR) для амплификации ДНК. Это позволило увидеть, когда появляется или исчезает конкретная последовательность ДНК (LIS-1).

Когда пластичную линию выращивали в условиях нехватки питательных веществ, отсутствовавшая ранее последовательность LIS-1 появлялась и сохранялась в последующих поколениях. Поскольку LIS-1 помогает растениям выживать при нехватке питательных веществ, ее наличие подтверждает веру Каллиса в то, что среда может влиять на мутации растения и сохранять полезные изменения даже в пределах одного поколения.

Объяснение для секвойи

Эти находки объясняют, почему верхушка секвойи генетически отличается от основания. Молодые секвойи растут за счет образования меристем из почек на концах существующих ветвей. Каждая новая меристема отличается от дерева, потому что среда повлияла на ее генетический состав. По мере роста дерева его верхушка становится все более генетически отличной от основания.

Практическое применение и скептицизм

Из-за спорности выводов Каллиса многие ученые не спешат их принимать. Сам Каллис изначально скептически относился к идее: «Если это действительно работает… [мы можем] получить растение, лучше адаптированное к своей среде, за одно поколение».

Такие адаптированные растения имеют практическую ценность. Каллис надеется идентифицировать конкретную генную последовательность, отвечающую за способность льна переносить суровые условия, и вставить ее в ДНК других растений.

Это позволит обойти текущий метод генной инженерии, который заключается в изоляции отдельных последовательностей ДНК, контролирующих устойчивость к жаре, холоду, вредителям и т.д., и сведет усилия к работе с одной последовательностью.

Вставив эту последовательность в растение и вырастив его в определенной стрессовой среде, ученые могли бы сделать растение устойчивым к желаемому фактору. Все потомство этого растения было бы адаптировано к среде и готово к росту.

Заставив растение делать всю работу, можно значительно снизить стоимость производства улучшенных культур. Это принесло бы большую пользу развивающимся странам, нуждающимся в большом объеме продовольствия в неблагоприятных условиях. Генная последовательность может помочь не только выжить растению, но и процветать целым странам.