Растения передают «память» о стрессе некоторым потомкам, делая их более устойчивыми

Манипулируя экспрессией одного гена, генетики могут вызывать форму «стрессовой памяти» у растений, которая наследуется некоторым потомством, давая им потенциал для более энергичного, выносливого и продуктивного роста, согласно исследователям из Penn State, которые предполагают открытие имеет значительные последствия для селекции растений. Основные моменты исследования приводит портал phys.org.

А поскольку этот метод является эпигенетическим - он включает в себя экспрессию существующих генов, а не внедрение нового генетического материала от другого растения, - культуры, выращенные с использованием этой технологии, могут обойти споры, связанные с генетически модифицированными организмами и продуктами питания.

«Один ген, MSH1, дает нам доступ к тому, что контролирует широкий спектр сетей устойчивости растений», - сказала Салли Маккензи, профессор растениеводства в Колледже сельскохозяйственных наук и профессор биологии в Эберли. «Когда растение испытывает стресс, такой как засуха или продолжительная экстремальная жара, оно обладает способностью быстро приспосабливаться к окружающей среде, становясь фенотипически «пластичным» или гибким».

Исследователи объясняют, что существует много способов инактивации гена MSH1, и в этом контексте все они работают. У хорошо изученных видов растений, таких как арабидопсис, томат или рис, можно выявить мутации в гене. В других случаях и для коммерческого тестирования можно разработать трансген, который использует «РНК-интерференцию», чтобы специфически нацеливаться на MSH1 для сайленсинга генов. Они сообщают, что любой метод, который заставляет замолчать MSH1, дает очень похожие результаты.

 «Когда растения модифицируются эпигенетически, они могут модифицировать многие гены настолько простым способом, насколько это возможно», - отметил Маккензи. Это включает в себя настройку циркадных часов - обнаружение света и запуск фаз роста и размножения - и изменение реакции гормонов, чтобы дать им максимальную гибкость, делая их более устойчивыми.

Растения, которые «обнаруживают» стресс после глушения гена MSH1, могут регулировать свой рост и изменять корневую конфигурацию, ограничивать надземную биомассу, задерживать время цветения и изменять свою реакцию на раздражители окружающей среды. Исследователи сообщили, что эти ответы «запоминаются» и передаются в процессе селекции через многие поколения.

«В нашем исследовании мы показываем, что это состояние памяти наследуемо потомством, но встречается только в части потомства, так что есть братья и сестры, не имеющие памяти», - говорит Маккензи, председатель Lloyd and Dottie Huck для функциональной геномики, «Это приводит к определенным изменениям экспрессии генов, которые влияют на фенотипическую« пластичность »растения. Мы предполагаем, что все растения обладают такой способностью, и что условие, которое мы описываем, вероятно, является важной частью того, как растения передают память об окружающей среде для потомства до появления условий».

Отрегулировав эпигенетическую архитектуру растения, исследователи смогли получить доступ к его сети устойчивости и увидеть, как быстро и широко экспрессируются гены, чтобы приспособить рост растения к адаптации к окружающей среде, отметил Маккензи, директор Института растений в штате Пенсильвания.

Исследователи утверждают, что растения можно «перепрограммировать» эпигенетически, чтобы по-разному экспрессировать гены, не изменяя генотип, что представляет собой нетрадиционный подход к селекции. Поскольку теперь они могут идентифицировать генные сети, которые, по-видимому, становятся объектами этой манипуляции, исследователи сообщают, что у растений есть механизмы, предназначенные для устранения стресса или изменения роста, и к ним можно получить доступ.

Исследователи сосредоточили свои усилия на маленьком цветущем растении, арабидопсисе или рок-крессе, родственнике капусты и горчицы в семье Брассика. Это один из модельных организмов, используемых для изучения биологии растений, и первое растение, в котором секвенирован весь геном. Арабидопсис полезен для генетических экспериментов из-за его короткого времени генерации и плодовитого производства семян посредством самоопыления. Исследователи вырастили пять поколений арабидопсиса для изучения растений с «памятью» и «без памяти».

В последующих исследованиях, уже проводимых в лаборатории Маккензи, исследователи подавили гены MSH1 в растениях томатов и сои, и эксперименты по прививке прошли полевые испытания с отличными результатами по урожайности. Масштабный эксперимент по выращиванию MSH1-модифицированной канолы сейчас находится в разработке.