Атлас «шумных» генов поможет понять, как растения «страхуют ставки» в борьбе за выживание

Даже генетически идентичные растения, выращенные в одинаковых условиях, проявляют уникальные черты. Новое исследование Кембриджского университета объясняет, почему это происходит.

Ученые из Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета создали атлас экспрессии генов, который картирует «шумные гены» у генетически идентичных растений. Исследование, опубликованное в Molecular Systems Biology, показало, что около 9% генов в таких растениях ведут себя крайне вариабельно. Многие из этих наиболее вариабельных генов участвуют в реакции растения на окружающую среду: свет, температуру, патогены и питательные вещества.

Эта вариабельность в поведении генов может быть полезной в природе: она позволяет популяциям генетически схожих растений «страховать ставки» против таких стрессов, как засуха, засоление или экстремальные температуры. В результате в популяции всегда найдется несколько растений, готовых пережить разные стрессы благодаря вариабельности своих генов. Однако в сельском хозяйстве эта изменчивость может создавать проблемы, так как фермерам нужны однородные культуры, которые одновременно прорастают, цветут и одинаково реагируют на удобрения и полив.

Впервые в мире были измерены глобальные уровни «шума» в экспрессии генов у растений. Созданный открытый онлайн-атлас (AraNoisy) станет ресурсом для изучения того, как вариабельность экспрессии генов влияет на выживание растений и разнообразие внутри клоновых популяций. Это важный шаг к пониманию того, как растения выживают в изменчивых условиях, и может лечь в основу дальнейших исследований в области сохранения растений и селекции сельскохозяйственных культур.

Что такое экспрессия генов?

Экспрессия гена — это процесс, в котором генетический код гена используется для синтеза белка или другой функциональной молекулы в клетке. Первый шаг — копирование сегмента ДНК в РНК (транскрипция). В этом исследовании «шум» в экспрессии генов относится к измеренному уровню вариаций в РНК между отдельными растениями.

Доктор Сандра Кортихо из группы Локка в SLCU исследовала, что заставляет некоторые гены экспрессироваться непредсказуемо. В качестве модели использовались генетически идентичные проростки резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana).

Было проведено РНК-секвенирование отдельных проростков каждые два часа в течение 24 часов и проанализирована вариабельность 15 646 индивидуальных генов. Выявлено, что 9% генов (1 358) были высоковариабельны по крайней мере в одной временной точке. Эти гены разделились на две группы, зависящие от суточного цикла: с более вариабельной активностью ночью или днем.

Исследование также выявило факторы, повышающие вариабельность экспрессии генов. Высоковариабельные гены, как правило, короче, на них нацелено большее количество других генов (транскрипционных факторов), и они характеризуются «закрытой» хроматиновой средой. Такая среда позволяет изменять экспрессию гена путем присоединения дополнительных молекул во время транскрипции, не меняя саму ДНК клетки.

«Эти результаты проливают новый свет на влияние транскрипционной вариабельности в регуляции экспрессии генов у растений... Эволюция вариабельной экспрессии генов могла повысить устойчивость популяции растений к изменяющимся условиям без изменения их генов», — говорит доктор Кортихо.

Руководитель исследовательской группы SLCU доктор Джеймс Локк отметил, что эти данные являются важным новым ресурсом для дальнейших исследований того, как генетически идентичные растения выживают в изменчивых условиях.