Эпигенетическая изменчивость представляет собой наследуемый механизм, влияющий на признаки организмов без изменения самой последовательности ДНК. Подобно генетической изменчивости, она может передаваться из поколения в поколение, однако действует иначе – словно знаки препинания или выделение текста в геноме, управляя активностью генов (включая или выключая их). Эти изменения могут быть вызваны факторами окружающей среды и открывают новые горизонты для улучшения сельскохозяйственных культур.
Использование знаний об эпигенетике может значительно расширить разнообразие признаков, доступных для селекции, с целью создания сортов, более устойчивых к климатическим изменениям и болезням. Одним из ключевых эпигенетических процессов у растений является метилирование ДНК, в котором важную роль играет ген MET1. Однако изучение его функций затруднено: полное удаление (нокаут) гена MET1 с помощью методов генной инженерии приводит к гибели растения.
Исследовательская группа доктора Филиппы Боррилл из Центра Джона Иннеса совершила прорыв в этой области, работая с пшеницей. Пшеница была выбрана не случайно: ее сложный геном содержит три копии гена MET1. Это позволило ученым использовать метод мутагенеза для создания не полных, а частичных эпигенетических мутантов, у которых были нокаутированы лишь некоторые, но не все, копии гена MET1.
Целью исследования, результаты которого доступны на препринтном сервере bioRxiv, было наблюдение эффектов сниженной функции MET1 без летального исхода для растений. Ученым удалось выяснить, что частичные мутанты MET1 выживают и демонстрируют измененные паттерны метилирования ДНК, что приводит к появлению интересных, наследуемых признаков, потенциально полезных для селекции.
Одним из конкретных примеров таких признаков стало изменение времени цветения – ключевой характеристики для адаптации пшеницы к различным условиям выращивания. Было обнаружено, что наблюдаемые эффекты зависят от дозы: разные признаки проявлялись в зависимости от того, сколько копий гена MET1 было нокаутировано. При этом подтвердилось, что нокаут всех трех копий по-прежнему летален.
Удивительным открытием стало то, что изменения в метилировании ДНК у этих мутантов не повлияли на количество пыльцы и фертильность растений. Доктор Боррилл, руководитель группы, подчеркнула, что полученные растения являются «первыми эпигенетическими мутантами пшеницы». Сложность генома пшеницы, часто являющаяся препятствием для исследований, в данном случае оказалась преимуществом.
Наличие нескольких копий гена позволило создать жизнеспособные частичные мутанты, обеспечив «золотую середину» – частичные изменения в здоровых растениях. Такой подход ранее был недоступен для культур с более простыми, диплоидными геномами. Техника создания частичных мутантов может быть применена и к другим сельскохозяйственным культурам, а также к изучению других генов, полный нокаут которых летален.
Эпигенетика является быстро развивающейся и влиятельной областью наук о жизни. Доктор Боррилл сравнивает генетическую изменчивость с изменением слов в книге, а эпигенетическую – с добавлением выделений или закладок, которые не меняют сами слова, но влияют на их восприятие. Это добавляет гибкости в модификации генома и характеристик растений, дополняя методы, основанные на генетической изменчивости, используемые тысячелетиями.
Дальнейшие исследования будут направлены на понимание механизмов возникновения новых признаков у мутантов MET1: вызваны ли они непосредственно изменениями метилирования или сопутствующими небольшими делециями в геноме. Также критически важно изучить стабильность этих эпигенетических изменений в последующих поколениях, поскольку это является необходимым условием для их практического применения в селекции сельскохозяйственных культур.
Изображение носит иллюстративный характер
Использование знаний об эпигенетике может значительно расширить разнообразие признаков, доступных для селекции, с целью создания сортов, более устойчивых к климатическим изменениям и болезням. Одним из ключевых эпигенетических процессов у растений является метилирование ДНК, в котором важную роль играет ген MET1. Однако изучение его функций затруднено: полное удаление (нокаут) гена MET1 с помощью методов генной инженерии приводит к гибели растения.
Исследовательская группа доктора Филиппы Боррилл из Центра Джона Иннеса совершила прорыв в этой области, работая с пшеницей. Пшеница была выбрана не случайно: ее сложный геном содержит три копии гена MET1. Это позволило ученым использовать метод мутагенеза для создания не полных, а частичных эпигенетических мутантов, у которых были нокаутированы лишь некоторые, но не все, копии гена MET1.
Целью исследования, результаты которого доступны на препринтном сервере bioRxiv, было наблюдение эффектов сниженной функции MET1 без летального исхода для растений. Ученым удалось выяснить, что частичные мутанты MET1 выживают и демонстрируют измененные паттерны метилирования ДНК, что приводит к появлению интересных, наследуемых признаков, потенциально полезных для селекции.
Одним из конкретных примеров таких признаков стало изменение времени цветения – ключевой характеристики для адаптации пшеницы к различным условиям выращивания. Было обнаружено, что наблюдаемые эффекты зависят от дозы: разные признаки проявлялись в зависимости от того, сколько копий гена MET1 было нокаутировано. При этом подтвердилось, что нокаут всех трех копий по-прежнему летален.
Удивительным открытием стало то, что изменения в метилировании ДНК у этих мутантов не повлияли на количество пыльцы и фертильность растений. Доктор Боррилл, руководитель группы, подчеркнула, что полученные растения являются «первыми эпигенетическими мутантами пшеницы». Сложность генома пшеницы, часто являющаяся препятствием для исследований, в данном случае оказалась преимуществом.
Наличие нескольких копий гена позволило создать жизнеспособные частичные мутанты, обеспечив «золотую середину» – частичные изменения в здоровых растениях. Такой подход ранее был недоступен для культур с более простыми, диплоидными геномами. Техника создания частичных мутантов может быть применена и к другим сельскохозяйственным культурам, а также к изучению других генов, полный нокаут которых летален.
Эпигенетика является быстро развивающейся и влиятельной областью наук о жизни. Доктор Боррилл сравнивает генетическую изменчивость с изменением слов в книге, а эпигенетическую – с добавлением выделений или закладок, которые не меняют сами слова, но влияют на их восприятие. Это добавляет гибкости в модификации генома и характеристик растений, дополняя методы, основанные на генетической изменчивости, используемые тысячелетиями.
Дальнейшие исследования будут направлены на понимание механизмов возникновения новых признаков у мутантов MET1: вызваны ли они непосредственно изменениями метилирования или сопутствующими небольшими делециями в геноме. Также критически важно изучить стабильность этих эпигенетических изменений в последующих поколениях, поскольку это является необходимым условием для их практического применения в селекции сельскохозяйственных культур.
