Теперь исследователи из Института Солка и Кембриджского университета использовали эту древнюю практику в сочетании с современными генетическими исследованиями, чтобы показать, что привитые растения могут иметь общие эпигенетические черты, согласно новой статье, опубликованной 18 января 2016 года в Proceedings of the Национальная академия наук.«Прививка — это то, что часто делается в коммерческом мире, и все же мы действительно не до конца понимаем последствия для этих двух растений», — говорит Джозеф Экер, один из главных авторов статьи и директор лаборатории геномного анализа Солка. «Наше исследование показало, что генетическая информация действительно передается от одного растения к другому. Это для меня сюрприз».
Эта генетическая информация, разделяемая между растениями, не является ДНК — два привитых растения сохраняют свои первоначальные геномы, — но эпигенетическая информация передается внутри растения.В эпигенетике химические маркеры воздействуют на существующие гены в ДНК растений или животных, чтобы включить или выключить гены. Эпигенетика может определить, становится ли клетка мышечной клеткой или клеткой кожи, а также определить, как растение реагирует на различные почвы, климат и болезни.
«В будущем это исследование может позволить производителям использовать эпигенетическую информацию для улучшения сельскохозяйственных культур и урожайности», — говорит Мэтью Льюси, один из первых авторов статьи и научный сотрудник Солка.Чтобы отслеживать поток эпигенетической информации, команды Солка и Кембриджа сосредоточились на крошечных молекулах, называемых малыми РНК или мРНК. Существуют различные типы эпигенетических процессов, но мРНК вносят вклад в процесс подавления гена, называемый метилированием ДНК. При метилировании ДНК молекулярные маркеры связываются вдоль верхней части ДНК, чтобы блокировать механизмы клетки от считывания или экспрессии генов под молекулярными маркерами.
Предыдущие исследования, проведенные членами этой исследовательской группы из Кембриджа, показали, что мРНК могут перемещаться по привитым растениям от побегов к корням. Поэтому исследователи разработали эксперимент по прививке трех разновидностей растения Arabidopsis thaliana (кресс-салат). Два сорта были кресс-салатом дикого типа, а третий сорт был мутантным, в котором отсутствовали какие-либо мРНК.
После каждой пересадки исследователи проанализировали ткань побегов и корней, чтобы выявить изменения в метилировании ДНК в разных геномах растений. Они также подтвердили, перемещались ли мРНК из растений дикого типа в мутантную разновидность, в которой отсутствовали мРНК.
«Эта установка позволила нам наблюдать нечто совершенно уникальное: они фактически передавали эпигенетический эквивалент аллелей, называемых эпиаллелями», — говорит Льюси.Аллель — это ген, который является общим для одного вида, но может отличаться от человека к человеку, например, аллель развития болезни Хантингтона.
В этом случае исследователи искали участки эпигенома растений, аллели которых были изменены эпигенетическим процессом. Другими словами: эпиаллели.«Поскольку два растения дикого типа различались по своей эпигенетике в зависимости от генома, мы могли наблюдать, как прививка побега к корням может фактически передавать эпиаллели от одного растения к другому», — говорит Льюси.
Дэвид Баулкомб, старший автор статьи, признает, что новые результаты не были полностью неожиданными. Предыдущие работы меньшего масштаба показали, что мРНК могут перемещаться и опосредовать эпигенетические изменения в ткани реципиента.«Что было неожиданным, так это масштаб изменений, вызванных мобильной РНК, — говорит Баулкомб из Департамента наук о растениях Кембриджского университета.
Тысячи сайтов в геноме кресс-салата замалчивались мРНК. Изучив расположение этих эпиаллелей, исследователи смогли начать находить ключи к разгадке их предназначения. Эпиаллели, наблюдаемые в эксперименте, часто были сайленсирующими участками генома, называемыми мобильными элементами или транспозонами.Транспозоны составляют часть так называемой темной ДНК или огромную часть генома, которая не кодирует гены.
Первоначально называемые «прыгающими генами», транспозоны могут перемещаться вверх и вниз по геному, чтобы влиять на экспрессию соседних генов. Многие транспозоны, нацеленные на мРНК в эксперименте, были очень близки по местоположению к активным генам.Несмотря на это подавление транспозонов, наблюдались лишь небольшие изменения в экспрессии генов между растениями дикого типа и мутантными растениями, у которых отсутствовали мРНК.«Мы думаем, что это связано с компактной природой генома A. thaliana», — говорит Льюси. «Вполне вероятно, что переход к виду с более крупным геномом и более активными транспозонами покажет большую разницу».
Благодаря новым инструментам редактирования генов можно будет проводить аналогичные эксперименты по прививке с более сложными геномами популярных культур.«У других растений с более сложным геномом эти эффекты будут усилены во много сотен раз», — говорит Экер, который также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и исследователем Фонда Гордона и Бетти Мур.Баулкомб соглашается с тем, что эпигенетические эффекты мобильной РНК, вероятно, будут намного больше для сельскохозяйственных культур, чем для модельных видов, используемых в настоящей работе.
Две исследовательские группы в настоящее время планируют расширенное сотрудничество для изучения этих эффектов на помидорах и других культурах.«Уже существуют тысячи других эпигенетических различий между корнями и побегами одного растения — и два привитых растения также отличаются генетически», — говорит Экер. «Так что создание эпиаллельной разницы в корнях — это что-то действительно новое для растения».Льюси и Томас Дж. Хардкасл из Кембриджского университета внесли равный вклад в подготовку статьи.
Другими авторами работы были Чарльз Мельник и Аттила Мольнар из Кембриджского университета; и Адриан Валли, Марк А. Урих и Джозеф Р. Нери из Института Солка.Финансирование работы было предоставлено Международным стипендиатом Марии Кюри в ЕС, Фондом Гордона и Бетти Мур, Национальным научным фондом, Стипендией младших научных сотрудников колледжа Клэр, Благотворительным фондом Гэтсби, грантом на совместный проект Европейского Союза ANEAS и Европейским исследовательским центром.
Грант Совета продвинутого исследователя.