Одомашненный рис имеет более жирные зерна с более высоким содержанием крахмала, чем его дикие родственники риса - результат многих поколений предпочтительной сортировки и посева семян. Но даже несмотря на то, что рис был первой культурой, которая была полностью секвенирована, ученые задокументировали лишь несколько генетических изменений, которые сделали рис основным продуктом питания для более чем половины населения мира.
Новые исследования теперь показывают, что значительное количество изменений, связанных с одомашниванием риса, отражает отбор по признакам, которые определяются частью генома, которая не транскрибирует белки.
Сяомин Чжэн, биолог из Института сельскохозяйственных наук Китайской академии сельскохозяйственных наук, является первым автором недавно опубликованной статьи в журнале Science Advances: «Полногеномный анализ раскрывает роль некодирующих вариаций в сложные черты во время одомашнивания риса». Qingwen Yang и Jun Liu, также из Института сельскохозяйственных наук Китайской академии сельскохозяйственных наук, и Kenneth M. Olsen из Вашингтонского университета в Сент-Луисе также являются авторами этой статьи.
Подозревается, что некодирующие РНК играют очень важную роль в регуляции роста и развития, но их характеристики только начинают изучаться.
«Несмотря на почти 20 лет геномных и геномных исследований одомашнивания сельскохозяйственных культур, мы все еще очень мало знаем о генетической основе большинства признаков одомашнивания у большинства видов сельскохозяйственных культур», - сказал Олсен, профессор биологии в области искусств и наук. в Вашингтонском университете.
«Ранние исследования, как правило, были нацелены на «низко висящие плоды» - простые признаки, которые контролировались всего одним или двумя генами с легко идентифицируемыми мутациями», - сказал Олсен. «Гораздо сложнее выяснить более тонкие изменения в развитии, которые были критическими для многих изменений во время одомашнивания сельскохозяйственных культур.
"Это исследование предлагает шаг в этом направлении, исследуя один регуляторный механизм, который имеет решающее значение для модулирования связанных с одомашниванием изменений в развитии рисового зерна."
Разнообразие признаков
Большая часть ДНК в хромосомах многих растений и животных состоит из генов, которые не кодируют инструкции по созданию белков - до 98% генома для любого данного вида. Но эта генетическая информация плохо изучена. Некоторые ученые называют этот материал «темной материей» генома или даже отвергают его как «мусорную ДНК», но, похоже, он сыграл огромную роль в развитии риса.
В этом исследовании исследователи обнаружили, что ключевые изменения, которые произошли во время одомашнивания риса более 9 000 лет назад, могут быть связаны с молекулами, называемыми длинными некодирующими РНК (днРНК), классом молекул РНК длиной более 200 нуклеотидов.
Около 36 процентов генетической информации, записанной в геноме риса, можно отследить до некодирующих областей, но исследователи обнаружили, что более 50 процентов разнообразия признаков, важных для сельского хозяйства, связаны с этими же областями.
«Впервые днРНК в некодирующей области культивируемого риса и дикого риса были подробно аннотированы и описаны», - сказал Чжэн.
«Наши трансгенные эксперименты и популяционно-генетический анализ убедительно демонстрируют, что селекция по днРНК способствовала изменению качества зерна одомашненного риса путем изменения экспрессии генов, которые участвуют в синтезе крахмала и пигментации зерна», - сказала она.
Работая с несколькими сотнями образцов риса и более чем 260 ГБ последовательностей, исследователи использовали чувствительные методы обнаружения для количественной оценки и надежного отслеживания транскрипции днРНК в рисе. Новое исследование подтверждает некоторые ранее идентифицированные днРНК, а также предоставляет новую информацию о ранее неописанных молекулах.
Это новое исследование подливает масла в огонь предположений некоторых исследователей о том, что большинство адаптивных различий между группами растений или животных связано с изменениями в регуляции генов, а не с эволюцией белка.
«Основываясь на наших выводах, мы предполагаем, что отбор на днРНК может оказаться более широким механизмом, с помощью которого у многих видов могут развиваться полногеномные паттерны экспрессии генов», - сказал Чжэн.
Это исследование риса также открывает глаза и, возможно, новые возможности для производства новых культур и зерна посредством точной селекции.