Группа исследователей из Университета Джорджии нашла способ идентифицировать элементы, регулирующие гены, которые могут помочь в производстве «дизайнерских» растений и привести к улучшению продовольственных культур в критический момент. Они опубликовали свои выводы в двух отдельных статьях в журнале Nature Plants..
По прогнозам Продовольственной и сельскохозяйственной организации Организация Объединенных Наций. Улучшение сельскохозяйственных культур может сыграть ключевую роль в этих усилиях.
Команда под руководством Боба Шмитца продемонстрировала способность идентифицировать цис-регуляторные элементы, или CRE, в 13 видах растений, включая кукурузу, рис, зеленую фасоль и ячмень.
Цис-регуляторные элементы представляют собой участки некодирующей ДНК, которые регулируют соседние гены. Если ген и его CRE можно идентифицировать, их можно рассматривать как модульную единицу, иногда называемую биокирпичиком. По словам Шмитца, адъюнкт-профессора генетики в Колледже искусств и наук Франклина, выбор CRE для редактирования предлагает более совершенный инструмент, чем редактирование генов.
«Редактирование генов может быть похоже на молот. Если вы нацелитесь на ген, вы в значительной степени сломаете его», - сказал он. «Нацеливание на CRE, которые участвуют в контроле экспрессии генов - то есть в том, как проявляется конкретная характеристика, - позволяет вам увеличивать или уменьшать экспрессию генов, подобно циферблату. Это дает нам инструмент для создания целого ряда вариаций в экспрессии гена.."
Управление геном структуры листа, например, может позволить селекционеру выбрать угол, под которым лист растет из растения, что может играть значительную роль в поглощении света и росте растения. Нацеливание на сам ген дает два варианта: «включено», когда лист может расти под углом 90 градусов, и «выключено», когда лист может расти прямо вниз. Но нацеливание на CRE вместо гена позволит гроверу нацеливаться на ряд промежуточных вариантов - угол 10 градусов, угол 25 градусов, угол 45 градусов и т. д.
После того, как биокирпичи были созданы и проверены на желаемый результат, их можно использовать для производства «дизайнерских» растений, обладающих желаемыми характеристиками, например, солеустойчивых растений, которые могут расти в ландшафте с высокой засоленностью. Способность выращивать растения в далеко не идеальных ландшафтах будет становиться все более и более важной, поскольку производители продуктов питания стремятся производить больше в среде, сталкивающейся с растущими проблемами, такими как засуха и наводнения.
Опираясь на свой успех, исследовательская группа недавно получила грант в размере 3,5 миллионов долларов от Национального научного фонда для изучения роли CRE в бобовых, включая арахис и соевые бобы.
В основе заявки на грант и документов лежат технологические прорывы, разработанные Зефу Лу, Биллом Риччи и Лесян Джи.
Зефу взял высокопроизводительный метод идентификации специфических элементов, который был разработан для клеток животных, и нашел способ применить его к растительным клеткам. Потребовалось много времени, чтобы преодолеть значительный барьер геномов растительных органелл, но теперь мы можем делать то, что животноводство делало уже несколько лет», - сказал Шмитц.
"Когда люди пытаются найти ассоциации признаков/болезней, они ищут мутации в генах, но работа на животных показала, что эти негенные области также обладают мутациями, влияющими на способ экспрессии гена. Области, которые мы идентифицируем с помощью этого метода, раскрывают регуляторную информацию для контроля экспрессии генов, которую традиционно было сложно обнаружить по сравнению с генами."
Одним из вкладов Риччи была разработка метода, который показывает связь между CRE и геном, который они контролируют.
«Обычно CRE расположены рядом с геном, который они контролируют, но у растений с более крупными геномами - соевых бобов, кукурузы - стало ясно, что эти контролирующие элементы могут появляться очень далеко», - сказал Шмитц. «В двухмерном пространстве что-то может появиться далеко, на расстоянии многих тысяч пар оснований, но метод Билла показывает, что в трех измерениях оно на самом деле расположено рядом с геном».
Эта работа - впервые примененная к растениям - послужила основой для двух статей, опубликованных в журнале Nature Plants, и Шмитц воздал должное вкладу членов своей команды.
"Это групповая работа", - сказал он. «Зефу, Билл и Лесян были основными движущими силами этого исследования».
«Широко распространенные цис-регуляторные элементы дальнего действия в геноме кукурузы» предоставляют генетические, эпигеномные и функциональные молекулярные доказательства, подтверждающие широкое существование локусов дальнего действия, которые действуют как CRE дальнего действия, влияющие на то, влияет ли ген в экспрессируется геном кукурузы.
В работе «Распространенность, эволюция и хроматиновые сигнатуры регуляторных элементов растений» исследователи идентифицировали тысячи CRE и показали, что CRE на большом расстоянии преобладают у растений, особенно у видов с большими и сложными геномами. Дополнительные результаты свидетельствуют о том, что CRE функционируют с различными хроматиновыми путями для регуляции экспрессии генов.
Работа команды будет распространяться через общедоступные эпигеномные браузеры, разработанные Бриджит Хофмайстер, недавно получившей докторскую степень. выпускник Лаборатории Шмитца.
«Наши исследования охватывают весь геном, и мы много разрабатываем методы и технологии, но это бесполезно, если люди не могут получить к ним доступ», - сказал Шмитц. «Мы предоставляем эпигеномные браузеры, которые позволяют людям, изучающим архитектуру листа, например, получать доступ к информации о конкретных генах или признаках, которые их интересуют».
Промышленность также заинтересована в CRE, по словам Шмитца. Их конвейер редактирования хорошо налажен для генов, и следующей очевидной целью редактирования являются CRE, как только они будут обнаружены.
«Не только академические круги используют это для фундаментальной науки», - сказал он. «Применение этого подхода для определения CRE станет обычным явлением в промышленности для улучшения урожайности».