Открывая мутантный ген, который «включает» другой ген, отвечающий за красные пигменты, которые иногда можно увидеть в кукурузе, исследователи решили загадку почти шестидесятилетней давности, сделав открытие, которое может иметь значение для селекции растений в будущем..
Кульминация более чем 20-летней работы началась, когда в 1997 году Суриндер Чопра, профессор генетики кукурузы в Университете штата Пенсильвания, получил семена мутантной линии кукурузы. В то время Чопра был постдокторантом в Университете штата Айова, и он принес исследование с собой, когда поступил на факультет штата Пенсильвания в 2000 году.
Загадка заключалась в спонтанной генной мутации, из-за которой красные пигменты появляются в различных тканях растений кукурузы, таких как зерна, початки, кисточки, шелк и даже стебли, в течение нескольких поколений, а затем исчезают в последующем потомстве. Непосвященным это может показаться незначительным, но поскольку генетика кукурузы уже давно изучается как модельная система, этот вопрос имеет большое значение для биологии растений.
«У кукурузы гены, участвующие в биосинтезе пигмента, использовались в генетических исследованиях более века - пигментация у кукурузы является относительно простым признаком, что делает ее идеальной для использования в качестве маркера для генетических исследований», - Чопра. сказал. «Мутантные растения кукурузы были идентифицированы в 1960 году доктором Чарльзом Бернхэмом (Университет Миннесоты), и это семя было передано одному из его студентов, Дереку Стайлзу. Мы получили семена от Стайлза в 1997 году, и нам было поручено продолжить исследование. исследования."
Чопра возглавил усилия по внедрению генов мутантной кукурузы, получившей название Ufo1 (нестабильный фактор для Orange1), в различные инбредные линии кукурузы для изучения. С тех пор как он приехал в штат Пенсильвания, исследовательская группа Чопры в Колледже сельскохозяйственных наук выращивала и скрещивала линии растений кукурузы как на агрономической ферме штата Пенсильвания, так и в теплицах на территории кампуса. За последние три года исследователи, недавно опубликовавшие свои результаты в журнале The Plant Cell, вырастили более 4000 растений, подвергшихся обратному скрещиванию, чтобы определить, где в геноме находится причина Ufo1.
Использование тканей этих гибридных растений, применение методов секвенирования РНК и инструментов клонирования генов наряду с секвенированием нового поколения, генетическим картированием и тем, что близко к гену Ufo1. Транспозоны - это последовательности ДНК, которые перемещаются из одного места генома в другое и могут влиять на экспрессию ближайших важных генов.
Когда этот транспозон включен, ген Ufo1 также включается, что запускает ген p1, чтобы сигнализировать растению о производстве красных пигментов. Но когда транспозон выключен, ген Ufo1 замолкает, как и пигментный путь, контролируемый p1. По словам Чопры, это основная причина, по которой ген Ufo1 так долго оставался неидентифицированным, а тайна сохранялась.
«Мы смогли сузить его до одного гена из нескольких тысяч генов, которые аберрантно экспрессируются у мутанта Ufo1 по сравнению с растением дикого типа», - сказал он. «Это постепенное открытие, и все же это скачок в фундаментальной науке, потому что он, вероятно, будет полезен для селекционеров».
До сих пор не совсем ясно, как Ufo1 взаимодействует с геном p1. Будущее значение открытия, вероятно, будет меньше связано с красными пигментами, чем то, что контролирует мутантный ген Ufo1 в растениях кукурузы. Чопра считает, что это может быть «главный регулятор», который при чрезмерной экспрессии сигнализирует растению о том, что оно находится в состоянии стресса, даже в отсутствие стресса. Интересно, как указал Чопра, у растений Ufo1 сахар избыточно накапливается в листьях, а содержание майзина, природного инсектицида, вырабатываемого растениями кукурузы, резко возрастает в шелке.
Изучение того, что контролирует регуляцию нормального или немутантного гена Ufo1, значительно приблизит нас к реалистичному процессу селекции, в котором мы сможем воздействовать на экспрессию генов, чтобы получить более высокое содержание майзина или повышенное содержание сахара, что будет иметь важное значение для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей и производства биотоплива соответственно», - сказал Чопра.
«И, поскольку это оказывает выраженное влияние на работу клеточного механизма, мы теперь можем лучше понять основной молекулярный путь, который обычно происходит во время стресса для растения», - сказал он. «Понимание стресса растений, вызванного экстремальной жарой, холодом и водой, важно из-за изменения климата».