05.12.2016

Сибирские генетики сделали первые шаги к управлению фотосинтезом

Ученые Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН отвечают на вопрос о том, как на генетическом уровне регулируется синтез и распределение хлорофилла в разных органах растений, исследуя геномы обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса, у которого нарушена выработка хлорофилла.

Недостаток хлорофилла у растений может приводить к ухудшению процесса фотосинтеза, аномальному развитию растений и их преждевременной смерти. Внешне недостаток хлорофилла проявляется в частичном побелении каких-либо органов, функционально может отражаться и на продуктивности растения, так как хлоропласты, содержащие хлорофилл, являются «энергетическими машинами растения» — они усваивают солнечный свет, трансформируя его в питательные вещества.

В ходе исследования специалисты работали с двумя генетическими линиями ячменя: с обычным ячменем (дикий тип, или линия Bowman) и растением-мутантом (линия Albino Lemma).

Подробности изложены в статье сотрудников НГУ и ИЦиГ СО РАН: Николая Шмакова, Геннадия Васильева, Натальи Шацкой, Алексея Дорошкова, Елены Гордеевой, Дмитрия Афонникова, Елены Хлесткиной, опубликованной в BMC Plant Biology.

Происхождение хлоропластов, как и других клеточных органоидов — митохондрий — симбиотическое. Согласно современным представлениям, они являются потомками свободноживущих бактерий, или прокариот (безъядерных клеток), имеют свой небольшой геном и размножаются делением внутри клетки растения. Контроль популяции хлоропластов и их деятельности в настоящий момент недостаточно изучен.

Во время предшествующих исследований признака Albino Lemma учеными сектора функциональной генетики злаков Института цитологии и генетики СО РАН при сравнении геномов обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса был найден геномный фрагмент, ассоциированный с наблюдаемым альбинизмом. Учёные показали, что данная мутация влияет на массу зерна и продуктивность колоса.

Работа ученых НГУ и ИЦиГ СО РАН продолжает эти исследования и посвящена обнаружению генов–кандидатов и предсказанию регуляторных путей, контролирующих фенотип Albino Lemma.

Говоря упрощенно, ученые разбираются в генетической «кухне»: определяют, какие механизмы и процессы приводят к тому, что из определенного набора генов получается растение именно с теми свойствами и внешними характеристиками, которые мы наблюдаем. В данном случае исследователи пытаются установить, какие генетические процессы приводят к побелению некоторых органов ячменя.

Для решения этой задачи специалисты «прочитали» транскриптом — установили совокупность всех активных генов внешней оболочки зерна (перикарпа) ячменя, а также исследовали растение под лазерным сканирующим микроскопом.

Исследовался транскриптом внешней оболочки зерна, так как ее легко отделить и в ней внешне проявлена мутация: оболочка не зеленая, а частично белая, а значит и мутировавший ген находится в клетках оболочки в активном состоянии.

В ходе анализа, ученые выделили несколько десятков генов, изменивших свою активность в результате мутации. Один из них — тот самый ген, мутация которого вызывает появление ячменя — частичного альбиноса. Остальные — «играют с ним в команде» и их «командная» работа приводит к частичному побелению ячменя. Благодаря транскриптомному анализу ученые сузили область поиска гена от десятков тысяч до нескольких десятков генов: исследовав их детально, генетики смогут точно установить последовательность мутировавшего гена, структуру его белка и выдвинуть предположения относительно механизмов его работы.

Добавив к транскриптомному анализу микроскопическое исследование, ученые установили, что интересующий их ген играет значительную роль в развитии растения — изменяет процессы морфогенеза, то есть влияет на возникновение и развитие органов растения. Этот вывод был сделан на основании того, что ген, вызывающий мутацию, меняет структуру ткани растения. Под микроскопом исследователям удалось пронаблюдать, что в местах изменения окраски растения с зеленой на белую, меняется и клеточный узор (паттерн): клетки, содержащие хлоропласты, модифицируют свою форму, размер и взаимное расположение.

Также этот ген работает внутри клетки, как триггер, находящийся в одном из состояний — либо он активирует хлоропласты, либо не активирует. Этот любопытный факт был установлен при микроскопическом исследовании тех частей растения, где проявлен переход от зеленого к белому цвету. В клетках зеленой зоны растения ген, вызывающий мутацию, находится в «выключенном» состоянии, а в клетках белой зоны (где отсутствует хлорофилл) — в «активном». В переходной зоне становится все больше клеток, не содержащих хлоропласты, вплоть до их полного исчезновения. Это означает, что клетки находятся в двух крайних состояниях: когда ген, вызывающий мутацию активен — хлоропласты в клетках не регистрируются, а когда он «выключен» — хлоропласты обнаруживаются в нормальном количестве, промежуточное состояние отсутствует.

Проделанная работа позволила учёным установить набор генов, ответственный за появление частичного альбинизма, и выяснить, как он влияет на развитие тканей и органов и внешний вид растения — проследить путь от мутации до фенотипа (внешних проявлений). Последующие исследования будут направлены на точное установление связей между этими генами: как они другу друга активируют или «замедляют», взаимодействуют между собой и каким образом это приводит к частичному побелению органов растений.

Альбинизм связан с активностью фотосинтеза, а значит с тем количеством энергии, которое усвоено растением и, соответственно, с объемом вырабатываемых питательных веществ. Возможно, это исследование — первый шаг к тому, чтобы генетики научились управлять активностью фотосинтеза, а значит и контролировать с его помощью продуктивность растений.

Надежда Дмитриева

Источники:

1. km.ru