Семена остаются в состоянии покоя - временная блокировка их прорастания - до тех пор, пока условия окружающей среды не идеальны для прорастания. Глубина этого сна, на которую влияют различные факторы, наследуется от матери, как ранее показали исследователи из Женевского университета (UNIGE), Швейцария. Сегодня в журнале eLife они раскрывают, как этот материнский отпечаток передается через небольшие фрагменты так называемых «интерферирующих» РНК, которые инактивируют определенные гены. Биологи также обнаруживают, что аналогичный механизм позволяет передавать другой отпечаток - температуру, присутствующую во время развития семени. Чем ниже была эта температура, тем выше будет уровень покоя семян. Этот механизм позволяет семени оптимизировать сроки его прорастания. Затем информация стирается в проросшем эмбрионе, чтобы следующее поколение могло хранить новые данные об окружающей среде.
Покой реализуется во время развития семян в материнском растении. Это свойство позволяет семенам прорастать в течение соответствующего сезона, предотвращая развитие всех потомков растения в одном и том же месте и конкуренцию за ограниченные ресурсы, а также способствует расселению растений. Семена также теряют период покоя в разное время. «Подвиды одного и того же растения могут иметь разный уровень покоя в зависимости от широты, на которой они произрастают, и мы хотели понять, почему», - объясняет Луис Лопес-Молина, профессор кафедры ботаники и биологии растений факультета UNIGE. Наука.
Отцовский ген замалчивается
Как и все организмы с половым размножением, семя получает две версии каждого гена, материнский и отцовский аллель, которые могут иметь разные уровни экспрессии. В 2016 году биологи UNIGE показали, что уровни покоя Arabidopsis thaliana, модельного организма, используемого в лабораториях, наследуются от матери. Действительно, в семени уровень экспрессии гена, регулирующего состояние покоя, называемого аллантоиназой (ALN), такой же, как и у материнского аллеля. Это означает, что в основном экспрессируется материнский аллель ALN в ущерб отцовскому аллелю.
В текущем исследовании исследователи показывают, что этот материнский отпечаток передается эпигенетическим механизмом, который влияет на экспрессию определенных генов, не изменяя их последовательность. Отцовский аллель ALN «замалчивается» биохимическими модификациями, называемыми метилированием, которые осуществляются в промоторной области гена с целью его инактивации.
"Эти метилирования сами по себе являются результатом процесса, в котором участвуют различные ферментативные и факторные комплексы, а также небольшие фрагменты так называемой "интерферирующей" РНК. Это уникальный пример геномного импринтинга, поскольку он производится в отсутствие фермента, обычно отвечающего за метилирование», - говорит Маюми Ивасаки, исследователь Женевской группы и первый автор статьи.
Отпечаток прошлого холода мешает семени пробудиться
Условия окружающей среды, присутствующие во время формирования семян, также накладывают свой отпечаток, так как уровень их покоя увеличивается с понижением температуры. «Мы обнаружили, что в этом случае оба аллеля гена ALN сильно репрессированы в семени. Это связано с аналогичным эпигенетическим механизмом, но не все действующие лица такие же, как те, которые используются для подавления отцовского аллеля. - говорит Луис Лопес-Молина.
Этот отпечаток холода позволяет семени сохранять информацию о прошлых температурах, чтобы учесть их при выборе оптимального времени прорастания. После прорастания ген ALN реактивируется в зародыше. После этого память холода будет очищена, что позволит сбросить счетчики для следующего поколения.
«Изучение того, как материнские факторы и факторы окружающей среды вызывают пробуждение спящих семян, имеет решающее значение для сельского хозяйства, особенно для предотвращения раннего прорастания в среде, подверженной изменению климата», - заключает Маюми Ивасаки. Экологические ставки также высоки, потому что повышение температуры может уменьшить период покоя банка семян и, таким образом, изменить распространение видов растений на данной широте. Это будет иметь многочисленные последствия, как прямые, так и косвенные, для местных видов животных и растений.