Динамика развития транскриптома листа кукурузы

Фотосинтез — один из самых впечатляющих природных процессов, в ходе которого растения с высокой эффективностью преобразуют световую энергию в строительные блоки жизни.

Однако до сих пор плохо изучено, как развивающиеся растения строят и регулируют свои "солнечные реакторы". Сколько генов в этом задействовано и какие из них ключевые? Как различные типы клеток наделяются специфическими биохимическими функциями? Ответы на эти вопросы важны для сельского хозяйства, биоэнергетики и борьбы с изменением климата.

Комплексные вопросы такого рода можно изучать с помощью нового подхода к измерению экспрессии генов — высокопроизводительного секвенирования (RNAseq). Этот метод был использован в новом исследовании учёных из Института исследований растений Бойса Томпсона (BTI) и Корнеллского университета, опубликованном в журнале Nature Genetics.

Исследование, в котором в качестве модели использовалась агрономически важная кукуруза, отслеживает полный набор экспрессируемых генов в листе с помощью массового секвенирования транскриптов. Учёные обнаружили, что по мере развития листа целые наборы генов включаются и выключаются.

"Эти новые инструменты позволили нам изучить экспрессию всех генов в листе на очень специфических стадиях развития. Это даёт беспрецедентный взгляд на генетическую схему листа", — отмечает Том Брутнелл, старший автор исследования.

В ходе исследования было обнаружено, что в каждом листе экспрессируется более 25 000 генов, и почти половина из них транскрибируется как минимум в две разные формы (сплайсинговые варианты). Для анализа этого потока информации учёные из BTI, Корнелла, Йеля, Университета штата Айова и Университета Торонто совместно разработали инструменты системной биологии, сочетающие вычислительные и статистические методы.

Важный аспект работы — она даёт представление о регуляции необычной формы фотосинтеза, которую использует кукуруза, — C4-фотосинтеза. Он повышает эффективность использования воды и азота в жарких и сухих условиях.

"Это исследование представляет первый всесторонний анализ экспрессии генов у любого C4-растения и, таким образом, закладывает основу для генетического анализа этого процесса", — отмечает Брутнелл.

Учитывая экономическую важность C4-растений, эти результаты имеют множество потенциальных применений в сельском хозяйстве. Оптимизация фотосинтетической способности может не только повысить продуктивность кукурузы, но и позволить преобразовать фотосинтез у менее эффективных видов, таких как рис или пшеница.