Признаки растений формируются под влиянием родительского конфликта

Различные субпопуляции вида растений могут иметь отличительные признаки: размер, количество семян, окраску и т.д. Основной источник этой изменчивости — гены. Однако гены — не единственный фактор, определяющий такие признаки. Другой важный вклад вносит эпигенетика.

Эпигенетические факторы регулируют работу генов, изменяя их экспрессию. Как и гены, они могут наследоваться из поколения в поколение, независимо от самой последовательности ДНК.

Эпиаллели и ДНК-метилирование

Один из эпигенетических механизмов — ДНК-метилирование, при котором добавление химических меток (метильных групп) может «включать» или «выключать» гены. Гены с идентичной последовательностью ДНК, но разными паттернами метилирования, называются эпиаллелями.

Лаборатория Мэри Геринг (Whitehead Institute, MIT) представила доказательства, что одни лишь эпиаллели могут приводить к различным наследуемым признакам у растений. В исследовании, опубликованном 5 ноября в PLoS Genetics, было показано, что изменение состояния метилирования гена HDG3 у разных штаммов Arabidopsis thaliana достаточно для изменения массы семян и сроков их развития.

Конфликт интересов родителей

У растений состояние метилирования генов чаще всего меняется во время развития семени. Этот период — также время геномного конфликта интересов между материнской и отцовской частями генома в каждом семени.

• Интерес матери: распределить питательные вещества поровну между всеми семенами (много мелких семян).
• Интерес отца: чтобы его семя получило максимум питательных веществ и выросло крупнее.

Этот конфликт реализуется через эпигенетический механизм импринтинга: за счёт дифференциального метилирования материнской и отцовской копий гена одна из них «замолкает» в потомстве, и экспрессируется только версия другого родителя.

Роль гена HDG3

Ген HDG3 импринтирован в одном штамме арабидопсиса так, что экспрессируется только отцовская копия. Исследователи обнаружили, что при потере этого отцовского импринтинга нарушается время развития семян, и растение в итоге даёт более мелкие семена. Это согласуется с теорией импринтинга: когда преимущество у отцовских генов, семена крупнее, чем при равной экспрессии генов обоих родителей.

Другие эксперименты, в которых активировали или «выключали» HDG3 путём метилирования в разных сценариях (в другом штамме и в гибридах), подтвердили: изменение состояния метилирования этого гена достаточно для влияния на размер семян и сроки их развития. В гибридах эти признаки зависели от того, происходила ли отцовская копия гена из штамма, где HDG3 обычно «выключен», или из штамма, где он обычно активен.

Вывод

Эксперименты демонстрируют связь между изменениями в состоянии метилирования и различиями в развитии и размере семян. Это указывает, что эпиаллели в природных популяциях функционируют подобно вариациям генов, создавая наследуемые признаки, которые различаются внутри более крупной популяции.