Семена сосны приморской запоминают температурные условия

Семена сосны приморской (Pinus pinaster) запоминают температуры, которые они испытали на ранних стадиях развития. Эта память сохраняется у молодых деревьев как минимум два года после прорастания. Открытие сделали исследователи из INRAE, CEA, FCBA, Университета Орлеана, Университета Перпиньяна и Университета Лиссабона. Память имеет эпигенетическую природу, то есть условия окружающей среды повлияли на экспрессию генов, но не на их последовательности ДНК.

Исследователи обнаружили, что эпигенетические метки были связаны с 10 генами, участвующими в развитии дерева, защитных реакциях и адаптации. Работа, опубликованная в Plant Physiology, предполагает, что деревья можно «кондиционировать» на очень ранних этапах развития, чтобы они лучше справлялись с изменениями температуры или другими факторами на протяжении всей жизни.

Контекст и важность

• Прогнозы изменения климата предсказывают значительный рост температур, что означает более частые и сильные волны жары и засухи для лесов.
• Деревья могут столкнуться с этими стрессорами очень рано — на стадии эмбрионов внутри семян.
• С конца 2000-х годов наблюдается снижение производства семян у сосны приморской — важной коммерческой породы в Средиземноморье и Франции.

Ход исследования и ключевые результаты

1. Наблюдения показали, что температура, которую испытывали семена, влияла на биологические и биохимические аспекты развития эмбриона. Это влияние сохранялось как минимум три года после прорастания, но не наблюдалось через пять лет.
2. Для упрощения изучения сложных эпигенетических процессов исследователи создали из одного семени несколько эмбрионов (клоны одного дерева). Три группы эмбрионов подвергались воздействию одной из трех температур (контроль: 23°C, низкая: 18°C, высокая: 28°C) в течение 3-месячного периода созревания, после чего все семена проращивали при 23°C.
3. Наблюдения продолжались пять лет: сначала в лаборатории, затем в теплице и, наконец, в полевых условиях.
4. Из-за чрезвычайно большого (в 8 раз больше человеческого) и не полностью секвенированного генома сосны исследователи усовершенствовали методику получения данных о релевантных геномных регионах и генах.
5. Был проанализирован паттерн метилирования ДНК — эпигенетического процесса, который может вызывать изменения в экспрессии генов и передаваться при делении клеток.
6. Анализы выявили несколько тысяч меток метилирования ДНК, на наличие которых повлияла температура во время созревания эмбрионов. Эти метки оставались стабильными в течение двух лет после прорастания.
7. Было идентифицировано 10 генов с накоплением эпигенетических меток. Эти гены связаны с защитными реакциями на стресс, адаптацией к температурным условиям и развитием эмбриона.

Выводы и перспективы

• Эпигенетическая память о температуре во время эмбриогенеза сохраняется у растущего дерева.
• Эпигенетические модификации во время эмбрионального развития могут сохраняться в постембриональном развитии у деревьев и растений в целом.
• Долгоживущие растения могут быть «запрограммированы» на раннем этапе для лучшей адаптации к факторам окружающей среды.
• Эпигенетическая память может играть ключевую роль в помощи деревьям реагировать на повторяющиеся стрессоры и быстро адаптироваться к меняющимся условиям.
• Этот механизм можно использовать в лесном хозяйстве для лучшей адаптации и устойчивого сохранения генетических ресурсов лесов в условиях глобального изменения климата.