Стресс вызывает эпигенетические изменения, повышающие устойчивость растений к болезням

Раньше считалось, что метилирование ДНК — статичная модификация, не меняющаяся под влиянием среды. Однако исследователи из Института биологических исследований Солка обнаружили, что стресс вызывает изменения в паттернах метилирования ДНК, которые меняют регуляцию генов.

Учёные выяснили, что воздействие патогенной бактерии вызывает широкомасштабные изменения в эпигенетическом коде растения — дополнительном слое биохимических инструкций в ДНК, контролирующем экспрессию генов. Эти изменения были связаны с активностью генов, координирующих реакцию растения на стресс. Это говорит о том, что эпигеном может помогать организмам развивать устойчивость к патогенам и другим стрессорам.

«Это означает, что эпигеном может быть не просто статичным набором инструкций, но и способом их переписывания на основе опыта», — говорит профессор Джозеф Экер, руководивший исследованием.

В исследовании, опубликованном 25 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences, изучалось, как метилирование ДНК регулирует иммунную систему растения Arabidopsis thaliana. Метилирование, среди прочего, подавляет экспрессию «прыгающих генов» (транспозонов). С помощью технологий полногеномного секвенирования учёные обнаружили широкий спектр изменений метилирования в ответ на бактериальную инфекцию.

«Наши результаты показывают, что воздействие стресса на растение запускает множество изменений метилирования, которые помогают растению защищаться от вторжения патогенов», — отмечает первый автор Роберт Доуэн.

Растения используют сложные защитные механизмы, стимулируя гормональные сигналы, которые запускают изменения в сетях экспрессии генов. Новые данные свидетельствуют, что эти защитные реакции задействуют аппарат метилирования ДНК для контроля над такими сетями. Эпигенетические изменения (в паттернах метилирования ДНК, модификациях гистонов) могут менять экспрессию гена, не изменяя его последовательность. Кроме того, молекулы малых интерферирующих РНК (siRNA) тесно связаны с метилированием, особенно у транспозонов. Исследователи обнаружили, что уровни этих siRNA также меняются во время инфекции, что соответствует активации этих мобильных фрагментов ДНК.

Выводы могут иметь широкие последствия для сельского хозяйства, включая целенаправленное изменение паттернов метилирования ДНК у растений для создания устойчивых к патогенам культур и снижения использования пестицидов. Эти технологии представляют большой интерес, поскольку ежегодно от патогенов гибнет 30–40% урожая, что оценивается примерно в 500 миллиардов долларов.

Недавнее исследование в Plant Physiology предполагает, что «память» об условиях среды может передаваться трансгенерационно: защитные механизмы активируются у потомства растений, чьи родители уже подвергались воздействию патогенов.

«Мы считаем, что наши результаты могут создать основу для прямого тестирования того, передаются ли наблюдаемые нами изменения метилирования потомству, и может ли аналогичный механизм работать в человеческих клетках», — говорит Доуэн.