Учёные прокладывают путь для «дизайнерских» растений

Исследователи из Университета Джорджии нашли способ идентифицировать цис-регуляторные элементы (CREs), что может помочь в создании «дизайнерских» растений и улучшении продовольственных культур. Результаты опубликованы в двух статьях в журнале Nature Plants.

Контекст и цель

Согласно оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), к 2050 году потребуется увеличить мировое производство продуктов питания на 70%. Улучшение сельскохозяйственных растений может сыграть в этом ключевую роль.

Команда под руководством Боба Шмитца показала возможность идентификации CREs у 13 видов растений, включая кукурузу, рис, фасоль и ячмень.

Что такое CREs и почему они важны?

CREs — это участки некодирующей ДНК, регулирующие активность соседних генов. Если идентифицировать ген и его CRE, их можно рассматривать как модульный блок (иногда называемый «биокирпичом»). Редактирование CREs — более тонкий инструмент, чем редактирование самих генов.

«Редактирование гена можно сравнить с молотком. Если вы нацелитесь на ген, вы, по сути, сломаете его», — говорит Боб Шмитц. — «Нацеливание на CREs, которые участвуют в контроле экспрессии генов, позволяет усилить или ослабить её, как с помощью регулятора. Это даёт нам инструмент для создания целого спектра вариаций».

Пример и преимущества

Например, контролируя ген архитектуры листа через его CRE, можно выбрать угол роста листа, что влияет на поглощение света. Редактирование самого гена даёт только варианты «включено» или «выключено». Редактирование CRE позволяет получить множество промежуточных углов (10°, 25°, 45° и т.д.).

Такие «биокирпичи» можно использовать для создания растений с заданными свойствами, например, солеустойчивых, способных расти на засолённых почвах.

Технологический прорыв и финансирование

Основой для статей стали технологические разработки Цэфу Лу, Билла Риччи и Лексяна Цзи:

• Цэфу Лу адаптировал для растительных клеток высокопроизводительный метод идентификации элементов, ранее разработанный для животных клеток.
• Билл Риччи разработал технику, показывающую связь между CREs и контролируемым геном в трёхмерном пространстве. Это особенно важно для растений с большим геномом (соя, кукуруза), где CREs могут находиться далеко от гена в линейной последовательности ДНК, но быть рядом в 3D-структуре.

На основе успехов команда получила грант в $3.5 млн от Национального научного фонда (NSF) на изучение роли CREs у бобовых, включая арахис и сою.

Ключевые выводы исследований

В статьях «Widespread Long-range Cis-Regulatory Elements in the Maize Genome» и «The prevalence, evolution and chromatin signatures of plant regulatory elements» показано:

1. Дальнодействующие CREs широко распространены в геноме кукурузы и влияют на экспрессию генов.
2. Такие элементы часто встречаются у растений, особенно с большими и сложными геномами.
3. CREs функционируют с участием различных хроматиновых путей.

Доступность и применение

Данные исследований стали общедоступными благодаря эпигеномным браузерам, разработанным Бриджит Хофмайстер. Это позволяет другим учёным легко получать информацию по интересующим генам или признакам.

По словам Шмитца, технология идентификации CREs вызывает интерес не только в академической среде, но и в индустрии, где её начнут применять для улучшения характеристик сельскохозяйственных культур.