Группа учёных, в которую входят исследователи из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике, раскрыла некоторые секреты ДНК кукурузы, показав, как определённые участки генетического материала контролируют такие важные характеристики, как архитектура растения и устойчивость к вредителям.
Открытие может помочь учёным использовать новые технологии для улучшения кукурузы
В статье, опубликованной в научном журнале Nature Plants, исследователи описали, как определённые белки, называемые факторами транскрипции, прикрепляются к ДНК растений кукурузы и как это влияет на активацию или подавление генов в определённых тканях. Они изучили две линии кукурузы и обнаружили значительные различия в определённых участках последовательности ДНК, которые, по их словам, могут помочь объяснить, почему растения выглядят и ведут себя по-разному.
Профессор Института микробиологии им. Ваксмена и автор исследования Андреа Галлавотти сказал: «В этой работе мы обнаружили, где факторы транскрипции связываются в геноме и, следовательно, влияют на экспрессию генов кукурузы. Важно отметить, что мы провели этот анализ на двух различных линиях кукурузы, которые отличаются по многим характеристикам, включая устойчивость к болезням и архитектуру».
В Северной Америке «кукуруза» и «маис» относятся к одному и тому же злаку. Однако, как отметил Галлавотти, «маис» — это более международно признанный и научно предпочтительный термин.
Кукуруза (или маис) затрагивает многие аспекты повседневной жизни во всём мире. Это основной продукт питания для многих культур по всему миру, богатый углеводами, клетчаткой, витаминами и минералами. Она также имеет важное промышленное применение — используется в качестве корма для скота, для производства биоразлагаемых пластмасс, клеёв и тканей, а также для производства этанола.
Исследование является результатом сотрудничества между учёными из Университета Рутгерса и Нью-Йоркского университета
Исследование, возглавляемое Шао-шан Хуангом, и другими учреждениями, направлено на решение сложных задач, связанных с огромным геномом кукурузы. Это партнёрство сыграло важную роль в углублении понимания того, что регулирует включение и выключение генов в кукурузе, сказал Галлавотти.
Команда начала с изучения того, как факторы транскрипции модулируют гены кукурузы, регулируя их уровень активности. Просмотрев огромные объёмы биоинформатических данных, они создали карту участков связывания факторов транскрипции в геноме кукурузы.
Факторы транскрипции прикрепляются к специальным участкам ДНК растения кукурузы, называемым цис-регуляторными областями. После того как исследователи получили эту информацию, они смогли сравнить эти участки связывания в разных линиях кукурузы, чтобы понять различия.
Команда противопоставила два разных типа растений кукурузы, B73 и Mo17, в исследовании. «Мы обнаружили, что существуют большие различия в том, где факторы транскрипции связываются, и в организации этих цис-регуляторных областей в двух типах кукурузы», — сказал Галлавотти. «Эти различия влияют на экспрессию генов, и полученные характеристики являются важным источником вариаций в кукурузе».
Используя чрезвычайно точный биологический инструмент, известный как CRISPR-Cas9, команда отредактировала некоторые из этих участков ДНК и изучила влияние изменений на растение, в том числе на ген, регулирующий устойчивость к ушным червям.
CRISPR — это естественный защитный механизм, обнаруженный у бактерий, используемый для защиты от вирусов
Учёные адаптировали эту систему для использования в редактировании генов. Система включает два ключевых компонента: CRISPR РНК — молекулу, которая направляет систему к конкретной последовательности ДНК, которую необходимо отредактировать, и Cas9 — фермент или белок, который действует как молекулярные ножницы, разрезая ДНК в целевом месте.
«Вариации в этих цис-регуляторных областях были важны для одомашнивания и улучшения многих сельскохозяйственных культур», — сказал Галлавотти. «Сегодня такие технологии, как CRISPR-Cas9, позволяют нам вносить изменения в определённые характеристики, и цис-регуляторные области являются важными мишенями для этих изменений».
До сих пор учёным было сложно определить, на что нацеливаться. «Наш анализ помогает составить карту и изучить эти регионы, которые можно использовать для улучшения сельскохозяйственных культур», — сказал Галлавотти. «Мы надеемся, что этот ресурс можно будет использовать для нацеливания на определённые регионы для получения любой характеристики. Это может быть устойчивость к стрессу, устойчивость к вредителям, модификация архитектуры растения».
Исследователи из Института микробиологии им. Ваксмена Университета Рутгерса, принявшие участие в исследовании, включали Мэри Галли, основного автора этого исследования, Зонглианг Чен, Амину Чаудхри, Джейсона Грегори и Фан Фэн.
Предоставлено Университетом Рутгерса.