Более века генетики растений изучают кукурузу как модельную систему, чтобы понять правила, управляющие наследованием признаков, и группа исследователей недавно раскрыла ранее неизвестный механизм, который запускает молчание генов у кукурузы. Замалчивание генов отключает генетические признаки, что является важным фактором для селекционеров, которые зависят от точного наследования признаков от одного поколения к другому.
Исторически ген p1 кукурузы использовался в качестве модели генетиками кукурузы. Предыдущие исследователи не знали, что два типа перекрывающихся меток метилирования ДНК могут модифицировать, заглушать или активировать этот ген. По словам ведущего исследователя Суриндера Чопры, профессора генетики кукурузы Колледжа сельскохозяйственных наук штата Пенсильвания, это открытие расширяет знания генетиков о различных механизмах неменделевской наследственности.
В выводах, опубликованных в PLOS One, команда Чопры показала, что заглушение гена цвета околоплодника кукурузы 1 - регулятора цвета внешнего слоя зерен и цвета початка - может иметь два «перекрывающихся» эпигенетических компонента - РНК-зависимая ДНК. метилирование (RdDM) и не зависящее от РНК метилирование ДНК (non-RdDM).
«Метилирование ДНК, то есть добавление метильных групп к молекуле ДНК, может изменить активность сегмента ДНК без изменения последовательности», - сказал он. «Метилирование ДНК обычно подавляет транскрипцию генов, что является первым этапом экспрессии генов».
В растительных клетках время и уровень экспрессии гена находится под жестким контролем между активацией и подавлением транскрипции, объяснил Чопра. Малые РНК - молекулы, необходимые для регуляции и экспрессии генов - могут опосредовать метилирование нитей ДНК и отключать транскрипционную активность, таким образом, играя роль в подавлении унаследованных генов или трансгенов, введенных для получения желаемых признаков растений.
У кукурузы ген цвета околоплодника 1 регулирует накопление кирпично-красных флавоноидных пигментов, называемых флобахпенами. Паттерн пигментации околоплодника зерен кукурузы и «чешуек» - мембраны, покрывающей початок, - зависит от экспрессии гена цвета околоплодника 1. Вот некоторые примеры таких узоров: белые ядра, красный початок; красные ядра, красный початок; пестрые ядра, пестрый початок; красные ядра, белый початок; и белые ядра, белый початок.
«Наше исследование гена цвета околоплодника кукурузы 1 продемонстрировало участие как малых РНК-зависимых, так и малых РНК-независимых механизмов подавления гена», - сказал Чопра.«Это исследование раскрывает дополнительный уровень регуляции генов с помощью малых РНК и улучшает наше понимание того, как экспрессия генов регулируется конкретно в одной ткани, но не в другой».
Как правило, когда селекционеры создают новые типы сортов, некоторые признаки, ради которых они размножаются, могут исчезнуть или их выраженность в потомстве снижается, сказал он. «И это, как мы теперь знаем, из-за подавления генов».
Лучшее понимание того, как механизмы подавления генов вызывают исчезновение желаемых признаков, давно необходимо, считает Чопра. Для фермера может быть катастрофой покупка семян, которые не ведут себя при выращивании так, как было обещано производителем.
Если один или несколько генов, контролирующих признак, замолкают из-за перекрывающегося метилирования ДНК, то этот признак фактически исчезает из популяции.
«Это большая неудача для тех, кто пытается разводить такие признаки, как высокая урожайность, которая регулируется несколькими генами», - сказал Чопра.«Если один или два из тех генов, которые необходимы для высокой урожайности, перестанут работать, это может привести к снижению общей урожайности».