В исследовательскую группу входили ИШИКУРА Соноко, МИЯДЗИ Наоми, доцент ФУДЗИМОТО Рё, профессор ЯСУДА Такеши (все из Высшей школы сельскохозяйственных наук Университета Кобе) и д-р Элизабет С. Деннис и д-р У. Джеймс Пикок (CSIRO Agriculture, Австралия). ).Гибридные растения обладают качествами, полезными в сельском хозяйстве, такими как увеличение биомассы и устойчивость к стрессу. Гибридные растения первого поколения (растения F1), выведенные для демонстрации этих свойств силы гибридов, широко культивируются. Говоря глобально, в настоящее время кукуруза, рис и рапс являются гибридными сортами F1.
Это явление было обнаружено более 100 лет назад и зафиксировано в знаменитой книге Дарвина «О происхождении видов». Начиная с создания гибридных сортов кукурузы F1 в начале 1900-х годов, была применена серия гибридных сельскохозяйственных культур, урожайность резко возросла, а результаты были сопоставимы с «зеленой революцией». Однако молекулярные механизмы этого явления остаются неясными.Хорошо известно, что признаки растений определяются ДНК, в частности, комбинацией четырех оснований (последовательность оснований) A (аденин), T (тимин), C (цитозин) и G (гуамин).
В последние годы ученые обнаружили, что даже если последовательность оснований ДНК одинакова, можно наблюдать разные черты — как вы можете видеть, глядя на однояйцевых близнецов. Эта измененная экспрессия, которая не коррелирует с изменениями в последовательности оснований, известна как эпигенетическая регуляция (в отличие от генетической регуляции). Метилирование ДНК считается одним из примеров эпигенетической регуляции.
Добавление или вычитание метила к цитозину у эукариотических организмов изменяет экспрессию генов, в то время как последовательность оснований остается неизменной. ДНК также соединяется с гистоном, образуя структуру хроматина. Метилирование ДНК и изменение структуры хроматина, вызванное модификацией гистонов, связаны с модификацией экспрессии генов.
Недавно появилось множество сообщений о том, что на жизнеспособность гибридов влияет как эпигенетическая регуляция, так и генетика.Энергия гибрида проявляется в модельном растении Arabidopsis thaliana (которое принадлежит к тому же семейству крестоцветных, что и китайская капуста). В гибриде первого поколения, скрещенном между C24 и Columbia-0 (Col), растение имеет повышенную биомассу. Однако до сих пор не совсем понятно, почему это гибридное растение F1 демонстрирует лучшие характеристики по сравнению со своими родителями.
В этом исследовании команда использовала Arabidopsis thaliana с мутациями в гене, связанном с метилированием ДНК, и, подтвердив примеры гибридной силы, они исследовали, какие гены и эпигенетические модификации, регулирующие гены, связаны с гибридной энергией.Различные гены работают вместе, регулируя метилирование ДНК.
Среди них, когда MET1 (метилтрансфераза 1, участвующая в поддержании метилирования CG) и Pol IV (относящаяся к RdDM, метилирование ДНК, направленное РНК, которое вызывает метилирование de novo) утратили свои генетические функции, наблюдались аномалии метилирования ДНК, но не наблюдалось. наблюдаемое влияние на жизнеспособность гибридов. Однако в гибриде F1, созданном с использованием растения с нефункциональным фактором ремоделирования хроматина DDM1 (участвующим в поддержании метилирования ДНК путем изменения структуры хроматина), наблюдались нарушения в метилировании ДНК, и уровень жизнеспособности гибрида был значительно ниже. Это продемонстрировало, что DDM1 и сила гибрида тесно связаны, а эпигенетическая модификация, регулируемая DDM1 (метилирование ДНК), важна для устойчивости гибрида.
Было немного конкретных сообщений о генах, участвующих в жизнеспособности гибридов, но на основе этого исследования был уточнен один из ключевых генов жизнеспособности гибридов.В настоящее время исследовательская группа готовится к всестороннему анализу изменений в метилировании ДНК, вызванных потерей функции DDM1 и сопутствующими изменениями уровня экспрессии ДНК.
Основываясь на этих выводах, они планируют окончательно идентифицировать гены, регулирующие жизнеспособность гибридов.Arabidopsis thaliana — растение семейства крестоцветных, а это значит, что знания, полученные в ходе этого исследования, могут быть применены к другим растениям этого семейства, таким как китайская капуста, капуста, брокколи и рапс. Это потенциально может быть использовано для выращивания сортов высокоурожайных сельскохозяйственных культур.
Команда также изучает жизнеспособность гибридов с использованием китайской капусты.