В 1980-х годах нашумевший новый метод создания плантаций, заполненных клонами наиболее урожайных образцов масличной пальмы, потерпел неожиданную катастрофу. Корпоративные инвесторы были удивлены, заметив, что лучшие гибриды, клонированные в культуральных блюдах, часто превращались в бесплодных взрослых особей, приносящих высохшие, бесполезные плоды. Эти растения демонстрировали мутантную форму, которую ученые назвали «мантии».До созревания масличной пальме требуется около 6 лет.
Таким образом, судьба многообещающих саженцев не ясна до тех пор, пока не будут потрачены земля и время. Когда они хорошо растут, деревья ценны. Плоды и семена масличной пальмы составляют почти половину мировых поставок пищевого растительного масла и являются одним из самых многообещающих источников биотоплива.Учитывая огромный и все еще растущий мировой спрос на пальмовое масло, промышленность заинтересована в повышении урожайности.
В этом помогли генетики растений. Лаборатория Колд-Спринг-Харбор (CSHL) Профессор Роберт А. Мартиенсен, FRS, является одним из генетиков растений, который проявляет большой интерес к проблеме повышения урожайности.
«Наша работа в этой области отчасти обусловлена ??экологическими соображениями», — говорит Мартиенсен. «По мере того, как мы разрабатываем способы надежного повышения урожайности, мы тем самым уменьшаем экономическую мотивацию для распространения масличных пальм на уязвимые районы тропических лесов, которые важно сохранить». В прошлой работе Мартиенссен сыграл важную роль в идентификации гена под названием SHELL, который контролирует урожай плодов.Решение тайны масличной пальмы в мантии и демонстрация способа ее предотвращения появляется в Интернете в журнале Nature. По словам Мартиенссена, вместе с Мейлиной Онг Абдулла, ведущим автором статьи, и ее коллегами из Совета по пальмовому маслу Малайзии (MPOB), организации, уполномоченной контролировать производство пальмовых масел, занимающих лидирующие позиции в мире, все сводится к вопросу о карме. промышленность и исследователи из Orion Genomics, частной американской фирмы, которая возникла из CSHL (соучредителем Martienssen).
Покровные растения берут свое начало в тканях, привитых из призовых гибридов масличной пальмы, выращенных в культуральных чашках. Образцы тканей берутся из того, что гурманы назвали бы «сердцем пальмы» — растущим кончиком пальмового растения, несущим его стволовые клетки. Таким образом, можно клонировать самые урожайные растения, то есть генетически продублировать — то, что невозможно сделать при выращивании следующего поколения из семян.Мартиенсен подозревал, что область, в которой он специализировался, предоставит путь к пониманию того, что пошло не так в некоторых из этих культурных блюд, что привело к появлению масличных пальм.
Его опыт — эпигенетика — набор молекулярных механизмов, действия которых изменяют экспрессию генов, не изменяя последовательность «букв» ДНК, которые «описывают» гены.Один очень распространенный эпигенетический механизм называется метилированием. Добавление или удаление метильных групп (CH3) из двойной спирали ДНК в данном гене и областях рядом с ним может привести к усилению, снижению или даже предотвращению экспрессии этого гена.
Используя микроматрицу, выявляющую метилирование в геноме нескольких коммерчески важных клонированных сортов масличной пальмы, Мартиенсен и его коллеги смогли определить единственное место в геноме, где отсутствие метильной «метки» соответствовало версии гена, ранее связанного с покрытыми мантией растениями. .Рассматриваемый ген является эквивалентом гена масличной пальмы DEFICIENS в растении львиный зев, где он был впервые описан. Команда переименовала ген MANTLED в масличную пальму. Ген помогает определить судьбу половых органов, а при мутации может превращать мужские органы в женские.
Внутри MANTLED в масличной пальме находится ретротранспозон. Это один из бесчисленных геномных захватчиков, которые (по большей части) бездействуют в генах всех форм жизни. Этот конкретный захватчик или очень похожий на него был впервые замечен на рисовых растениях и получил название карма.
Мартиенссен и его коллеги обнаружили, что у растений в мантии метильная метка, присутствующая у здоровых растений, отсутствует в месте ретротранспозона кармы, называемом сайтом сплайсинга. Карма находится внутри интрона в MANTLED. Когда сайт сплайсинга неметилирован, ген не использует нормальный экзон для сплайсинга интрона, а вместо этого использует карму. Сообщение РНК, скопированное из гена, кодирует мутантный белок, который дает растениям бесполезные плоды.
Команда шутливо назвала это ошибочное генное послание плохой кармой. На деревьях, которые нормально развиваются и приносят здоровые плоды, метильная метка всегда присутствует в месте сращивания кармы, создавая версию правильного генного сообщения, которое команда естественным образом называет хорошей кармой.Команда не уверена, почему «плохая карма» возникает, когда ткань масличной пальмы клонируется в культуре.
Мартиенсен подозревает, что это как-то связано с временным отделением растительной ткани от места ее происхождения — меристемы, содержащей стволовые клетки. Меристемы также содержат небольшие РНК, которые помогают направлять метильные метки и другие эпигенетические сигналы в соответствующие положения вдоль двойной спирали.
Простой эпигенетический тест, аналогичный недорогим тестам, которые в настоящее время используются во время беременности для выявления группы человеческих заболеваний у плода, легко выявит плохую карму и, таким образом, позволит производителям отбраковывать поврежденные клоны на стадии проростков. Это сэкономит неисчислимые миллионы и, что важно, по словам Мартиенсена, станет благом для урожая, поскольку будет способствовать размножению здоровых ценных гибридных клонов и, таким образом, снизит экономическое давление на крупных и мелких производителей, чтобы они выделяли дополнительные земли для производства большего количества фруктов. .