Семена наследуют воспоминания от матери
Семена остаются в состоянии покоя — временной блокировки прорастания — пока условия окружающей среды не станут идеальными. Глубина этого покоя, на которую влияют различные факторы, наследуется от материнского растения, как ранее показали исследователи из Женевского университета (UNIGE). В журнале eLife они раскрывают, как этот материнский отпечаток передается через небольшие фрагменты так называемых «интерферирующих» РНК, которые инактивируют определенные гены.
Биологи также показывают, что сходный механизм передает другой отпечаток — температур, присутствовавших во время развития семени. Чем ниже была температура, тем выше уровень покоя семени. Этот механизм позволяет семени оптимизировать время своего прорастания. Затем эта информация стирается в проросшем зародыше, чтобы следующее поколение могло сохранить новые данные о своей среде.
Покой устанавливается во время развития семени в материнском растении. Это свойство позволяет семенам прорастать в подходящий сезон, предотвращает развитие всех потомков одного растения в одном месте и конкуренцию за ограниченные ресурсы, а также способствует расселению растений. Семена также выходят из состояния покоя в разное время. «Подвиды одного растения могут иметь разный уровень покоя в зависимости от широты, на которой они произведены, и мы хотели понять почему», — поясняет Луис Лопес-Молина, профессор кафедры ботаники и биологии растений UNIGE.
Как и все организмы с половым размножением, семя получает две версии каждого гена — материнский и отцовский аллели, которые могут иметь разный уровень экспрессии. В 2016 году биологи UNIGE показали, что уровень покоя у модельного организма Arabidopsis thaliana наследуется от матери. Действительно, в семени уровень экспрессии гена, регулирующего покой, — аллантоиназы (ALN) — такой же, как у материнского аллеля. Это означает, что в основном экспрессируется именно материнский аллель ALN, в ущерб отцовскому.
В текущем исследовании ученые показывают, что этот материнский отпечаток передается эпигенетическим механизмом, который влияет на экспрессию генов, не изменяя их последовательность. Отцовский аллель ALN «замолкает» благодаря биохимическим модификациям — метилированиям, которые происходят в промоторной области гена, чтобы инактивировать его.
«Эти метилирования сами являются результатом процесса, в котором задействованы различные ферментативные комплексы и факторы, а также небольшие фрагменты так называемой "интерферирующей" РНК. Это уникальный пример геномного импринтинга, поскольку он происходит в отсутствие фермента, обычно ответственного за метилирование», — говорит Маюми Ивасаки, первый автор статьи.
Отпечаток прошлого холода мешает семени проснуться
Условия окружающей среды, присутствовавшие во время формирования семени, также оставляют свой след: уровень покоя увеличивается с понижением температур. «Мы обнаружили, что в этом случае оба аллеля гена ALN сильно подавлены в семени. Это связано с похожим эпигенетическим механизмом, но не все его участники те же, что используются для "заглушения" отцовского аллеля», — говорит Луис Лопес-Молина.
Этот отпечаток холода позволяет семени сохранять информацию о прошлых температурах, чтобы учесть ее при выборе оптимального времени для прорастания. После прорастания ген ALN реактивируется в зародыше. Память о холоде затем стирается, позволяя «обнулить счетчики» для следующего поколения.
«Изучение того, как материнские и экологические факторы заставляют покоящиеся семена пробуждаться, имеет crucial importance для сельского хозяйства, особенно для предотвращения преждевременного прорастания в условиях изменения климата», — заключает Маюми Ивасаки. Экологические ставки также высоки, поскольку повышение температур может снизить покой семенного банка и тем самым изменить распределение видов растений на данной широте. Это будет иметь множественные последствия, как прямые, так и косвенные, для местных видов животных и растений.