Гибридная сила означает, что гибридное растение или животное проявляет превосходящие черты по сравнению со своими родителями. Исследовательская группа обнаружила, что ген, участвующий в поддержании метилирования ДНК, тесно связан с силой гибридизации у Arabidopsis thaliana. Это потенциально применимо к другим крестоцветным овощам, таким как пекинская капуста, и может привести к более эффективному разведению высокоурожайных овощей. Выводы были опубликованы 8 октября в онлайн-версии Proceedings of the National Academy of Sciences.
В исследовательскую группу входили ИШИКУРА Соноко, МИЯДЗИ Наоми, доцент ФУДЖИМОТО Рё, профессор ЯСУДА Такеши (все из Высшей школы сельскохозяйственных наук Университета Кобе), а также д-р Элизабет С. Деннис и д-р В. Джеймс Пикок. (CSIRO Сельское хозяйство, 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 характеристик гибридной силы, широко культивируются. В глобальном масштабе в настоящее время кукуруза, рис и рапс являются гибридными сортами F1. Это явление было открыто более 100 лет назад и описано в знаменитом труде Дарвина «Происхождение видов». Начиная с разработки гибридных сортов кукурузы F1 в начале 1900-х годов, был применен ряд 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, а именно комбинацией четырех оснований (последовательность оснований) А (аденин), Т (тимин), С (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. Это измененное выражение, которое не коррелирует с изменениями в последовательности оснований, известно как эпигенетическая регуляция (в отличие от генетической регуляции). Метилирование ДНК считается одним из примеров эпигенетической регуляции. Добавление или вычитание метила из цитозина в эукариотических организмах 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. В последнее время появилось множество сообщений о том, что на силу гибридов влияет как эпигенетическая регуляция, так и генетика.
Hybrid power можно увидеть на модельном растении Arabidopsis thaliana (которое принадлежит к тому же семейству крестоцветных, что и пекинская 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 превосходные характеристики по сравнению со своими родителями.
В этом исследовании команда использовала Arabidopsis thaliana с мутациями в гене, связанном с метилированием ДНК, и, подтвердив случаи гибридной силы, они исследовали, какие гены и эпигенетические модификации, регулирующие гены, были связаны с гибридной силой.
Различные гены совместно регулируют метилирование ДНК. Среди них, когда MET1 (метилтрансфераза 1, участвующая в поддержании метилирования CG) и Pol IV (связанная с RdDM, РНК-направленным метилированием ДНК, вызывающим метилирование de novo) теряли свои генетические функции, наблюдались аномалии в метилировании ДНК, но не было заметное влияние на силу гибрида. Однако у гибрида F1, созданного с использованием растения с нефункциональным фактором ремоделирования хроматина DDM1 (участвующим в поддержании метилирования ДНК путем модификации структуры хроматина), были обнаружены аномалии в метилировании ДНК, и уровень жизнеспособности гибрида был значительно ниже. Это продемонстрировало, что DDM1 и сила гибрида тесно связаны, и эпигенетическая модификация, регулируемая DDM1 (метилирование ДНК), важна для силы гибрида. Было немного конкретных сообщений о генах, участвующих в гибридной силе, но на основе этого исследования был выяснен один из ключевых генов гибридной силы.
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, которые регулируют силу гибридов.
Arabidopsis thaliana является крестоцветным растением, а это означает, что знания, полученные в ходе этого исследования, могут быть применены к другим растениям этого семейства, таким как пекинская капуста, белокочанная капуста, брокколи и рапс. Потенциально это может быть использовано для выведения высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур. Команда также исследует гибридную силу с использованием пекинской капусты..