С падением цен и непредсказуемыми погодными условиями для американских фермеров, выращивающих хлопок, наступили трудные времена, но новое исследование под руководством З. Джеффри Чена из Техасского университета в Остине может дать передышку для отрасли. Он и его команда сделали первый шаг к новому способу выращивания более крепкого и продуктивного хлопка с помощью процесса, называемого эпигенетической модификацией.
В последние десятилетия ученые обнаружили, что многие черты живых существ контролируются не только их генетикой - тем, что записано в коде их ДНК, - но и процессами вне их ДНК, которые определяют, будет ли, когда и в какой степени экспрессируются гены, известные как эпигенетика. Это открывает возможность совершенно новых способов разведения растений и животных. Выборочно включая и выключая экспрессию генов, селекционеры могли создавать новые сорта, не изменяя гены.
В этом последнем исследовании исследователи определили более 500 генов, которые эпигенетически модифицированы между дикими сортами хлопка и одомашненным хлопком, некоторые из которых, как известно, связаны с агрономическими и одомашненными признаками. Эта информация может помочь в отборе тех признаков, которые селекционеры хотят изменить, таких как выход волокна или устойчивость к засухе, жаре или вредителям. Например, разновидности дикого хлопка могут содержать гены, которые помогают им лучше реагировать на засуху, но у одомашненного хлопка они эпигенетически подавлены.
«Это понимание позволит нам дополнить генетическую селекцию эпигенетической селекцией», - говорит Чен, столетний профессор молекулярной генетики растений D. J. Sibley в отделе молекулярной биологии.«Поскольку теперь мы знаем, как эпигенетические изменения влияют на цветение и реакцию на стресс, вы можете реактивировать гены, реагирующие на стресс, у одомашненного хлопка».
В исследовании, опубликованном в журнале Genome Biology, Чен и его коллеги из Техасского университета A&M и Нанкинского сельскохозяйственного университета в Китае сообщают, что они создали «метилом» - список генов и генетических элементов, которые были включены или через естественный процесс, называемый метилированием ДНК. Метилом дает важные подсказки биотехнологическим фирмам, которые хотят адаптировать сельскохозяйственные культуры посредством эпигенетической модификации. Этот метилом охватывает наиболее широко выращиваемую форму хлопка, известную как упландский или американский хлопок; его двоюродный брат пима или египетский хлопок; и их диких родственников, показывая при этом, как эти растения изменились за более чем миллион лет.
«Знание того, как метилом изменился в ходе эволюции и одомашнивания, поможет сделать эту технологию еще на один шаг ближе к реальности», - говорит Чен.
Хлопок является основной культурой волокна, выращиваемой в мире, и экспортом и импортом хлопка занимаются более 150 стран. Годовой доход бизнеса, стимулируемый хлопком в экономике США, превышает 100 миллиардов долларов, что делает его культурой № 1 с добавленной стоимостью в Америке.
Исследователи обнаружили, что изменения в метилировании ДНК произошли, когда дикие разновидности объединились в гибриды, гибриды адаптировались к изменениям в окружающей среде и, наконец, люди одомашнили их. Один из ключевых выводов заключается в том, что изменение, позволившее хлопку превратиться из растения, приспособленного для выращивания только в тропиках, в растение, которое растет во многих частях мира, было не генетическим, а эпигенетическим изменением.
Исследователи обнаружили, что дикий хлопок содержит метилированный ген, который препятствует его цветению при длинном световом дне, как это бывает летом во многих местах, включая США и Китай. У одомашненного хлопка тот же ген утратил это метилирование, позволив гену проявиться - эпигенетическое изменение, позволившее хлопку стать глобальным.
Чен говорит, что современные заводчики могут модифицировать метилирование генов с помощью химических веществ или с помощью модифицированных технологий редактирования генов, таких как CRISPR/Cas9. Эти методы могут позволить селекционерам вносить целенаправленные изменения в эпигеном растения и создавать новые сорта с улучшенными характеристиками. Эпигенетическую селекцию можно применять не только к хлопку, но и ко многим другим основным культурам, таким как пшеница, рапс, кофе, картофель, бананы и кукуруза.
Новое исследование основано на самой полной на сегодняшний день карте генетической последовательности американского (или нагорного) хлопка, которая также была разработана Ченом и его сотрудниками в 2015 году.
Предыдущие исследования проследили происхождение одомашненного хлопка на 1,5 миллиона лет назад, когда два разных диких вида сформировали гибрид, который в конечном итоге дал начало современным видам хлопка Upland и Pima. Чен и его команда обнаружили, что изменения метилирования ДНК в аналогичном гибриде, сделанном сегодня, были такими же, как и у дикого и культурного хлопка, что позволяет предположить, что эти изменения сохранились в ходе эволюции, селекции и одомашнивания. Это хорошая новость для заводчиков, которые хотят быть уверены, что изменения, которые они вносят сегодня, не исчезнут быстро в будущих поколениях.