Новое исследование выявило ключевое различие в геномах американского и китайского каштана
Хромосомы американского и китайского каштана не так уж похожи, по крайней мере, в одной ключевой области генома — ядрышковом организаторе (nucleolus organizing region, NOR).
Это открытие, опубликованное в Scientific Reports, имеет важные последствия для целей придания американскому каштану устойчивости к фитофторозу путем гибридизации с китайским каштаном.
«Это беспрецедентное открытие в области цитологии растений», — говорит Нурул Фариди, генетик Лесной службы США и ведущий автор исследования.
Традиционная возвратная селекция (backcross breeding), включающая гибридизацию двух видов, направлена на объединение идеального набора признаков без генной инженерии. Она может быть успешной только при совместимости хромосом обоих видов. Поскольку гибриды китайского и американского каштана жизнеспособны, предполагалось, что виды высоко совместимы. Однако новое исследование выявило значительные различия в их NOR.
NOR есть в каждой клетке растений и животных. Он несет генетические инструкции для создания рибосом — молекулярных машин, производящих белки, необходимые для жизни.
NOR расположен вблизи конца короткого плеча определенной хромосомы. Он присутствует у обоих видов, но у китайского каштана он заполнен особым типом ДНК — гетерохроматином — и составляет около 25% хромосомы.
Структура и состав этой ДНК удивили исследователей: она высококонденсирована, лишена генного содержания и транскрипционно неактивна. В отличие от этого, сателлитная ДНК американского каштана очень мала и, по-видимому, является эухроматином. Эухроматические области ДНК транскрипционно активны.
Фариди впервые заметил небольшую пару хромосом китайского каштана, демонстрирующую очень яркую флуоресценцию под специализированным микроскопом с УФ-фильтром и красителем, связывающимся с ДНК.
Для дальнейшего анализа открытия Фариди использовал метод флуоресцентной in situ гибридизации (FISH).
«Наши высококачественные FISH-изображения предоставляют неопровержимые доказательства этой уникальной организации ДНК», — говорит Фариди. «Эти изображения — не просто картинки; они свидетельство динамичной природы генетического материала».
Фариди работает с FISH с 1991 года и имеет большой опыт подготовки растительных хромосом для анализа. Наилучшие результаты FISH дают хорошо разделенные хромосомы из ферментативно переваренных кончиков корней, в основном свободные от клеточных стенок, ядерных мембран и цитоплазматических остатков.
Большинство FISH-изображений получают из клеток животных, так как с растительными клетками, особенно деревьев, работать сложнее. Фариди выяснил, что с каштанами работать гораздо труднее, чем с сосной или тополем.
Для дальнейшего исследования ученые будут использовать технику олигонуклеотидного FISH (oligo-FISH). Она использует короткие специфичные ДНК-зонды, полученные в результате секвенирования ДНК. Поскольку полные геномы американского и китайского каштана секвенированы, oligo-FISH позволит провести детальные генетические исследования для выявления тонких геномных различий. Этот метод особенно полезен для изучения гибридов, так как может показать, от какого родителя происходит ген.
Прогресс в создании гибридов американского каштана с его высотой и устойчивостью китайского каштана к фитофторозу был значительным. Однако, как показали предыдущие исследования Лесной службы, самые продвинутые гибриды в настоящее время не обладают достаточной устойчивостью к фитофторозу для восстановления популяции.