Ученые отследят изменение наследственных признаков растений
Новый метод, позволяющий практически в реальном времени следить за перемещениями в геноме растений мобильных генетических элементов, разработали ученые ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН и Московского физико-технического института, 11 сентября сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу РНФ.
Мобильные генетические элементы (транспозоны) представляют собой участки ДНК, способные перемещаться по геному, что вызывает изменение различных признаков, таких как цвет, форма и др.
Если раньше отследить факт их перемещения удавалось только при сравнении ДНК разных поколений (родительского и дочернего растения), то новая технология позволяет выявлять перемещение мобильных генетических элементов практически в режиме реального времени. Предложенный метод может быть использован для ускорения выведения новых линий сельскохозяйственных растений.
Мобильные генетические элементы представляют собой древний природный механизм, ответственный за генетическое разнообразие всего живого на Земле. Присутствуя почти во всех живых организмах, они могут составлять до примерно 93% генома.
Перемещение транспозона внутри одной клетки (или генома) происходит с помощью молекул РНК или через «вырезание» себя из генома. Перемещаясь, транспозоны создают свои копии, что изменяет последовательности цепочек ДНК. Эти изменения влияют на многие признаки, в том числе на цвет плодов и форму листьев растений.
Поскольку мобильные элементы служат одной из основных движущих сил разнообразия, адаптации и эволюции растений, то возможность контролировать их перемещение позволит, в свою очередь, создавать новые сорта сельскохозяйственных растений.
Команда московских ученых разработала метод, позволяющий выявлять перемещение мобильных генетических элементов без необходимости сравнения геномов нескольких поколений.
Для разработки нового метода ученые использовали арабидопсис — один из модельных организмов, используемых для изучения биологии растений, и первое растение, чей геном полностью секвенирован.
С помощью технологии CANS (Cas9‐targeted Nanopore sequencing) исследователи выделяли общую ДНК из этих растений. Белок Cas9 помогал им распознать фрагменты ДНК, в которых находились мобильные элементы, после чего они с помощью нанопорового секвенирования устанавливали в них последовательность нуклеотидов.
Далее они использовали собственную новую разработку — программу NanoCasTE, которая позволяет автоматизировать и ускорить поиск новых мобильных элементов по данным CANS. NanoCasTE сравнивает полученные последовательности фрагментов ДНК с «эталонной» последовательностью ДНК арабидопсиса, определяя перемещения транспозонов в геноме практически в режиме реального времени.
Новые технологии CANS/NanoCasTE помогли исследователям установить, куда и почему перемещаются транспозоны растений. Они выяснили, что эти перемещения не являются случайными, как предполагалось ранее. Они определяются модификациями и последовательностями цепочек ДНК, а также транскрипцией — синтезом на матрице ДНК последовательности молекулы РНК.
Руководитель проекта, завлабораторией маркерной и геномной селекции растений ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии и лабораторией системной геномики и мобиломики растений МФТИ Илья Киров пояснил полученный ими итог исследований:
«Наши результаты — это пример некоторой направленности мутаций в процессе эволюции. Это наблюдение очень важное, так как традиционно учебники по биологии гласят, что мутации возникают совершенно случайно. Так вот наши исследования свидетельствуют, что это не совсем так».
Отмечая несколько ограничений разработанного метода, которые снижают эффективность поиска, таких как необходимость большого количества геномной ДНК хорошего качества и ограниченное количество (5–10%) нанопор в приборе, в которых определение происходит одновременно, Илья Киров считает:
«CANS/NanoCasTE может служить удобным инструментом для улавливания мобильных элементов в геномах растений. Эта технология открывает новые возможности для дальнейшего изучения транспозонов и поиска способа контролировать их перемещение, чтобы ускорить создание новых сельскохозяйственных растений с абсолютно разными характеристиками».
Результаты исследования нового метода были представлены в статье «Нанопоровое секвенирование, нацеленное на Cas9, позволяет быстро выяснить предпочтения транспозиции и профили метилирования ДНК мобильных элементов в растениях», опубликованной в Journal of Integrative Plant Biology.
В планах исследовательского коллектива уточнение причин активности мобильных элементов растений, а также выяснение, с какими молекулами взаимодействует транспозон в ходе своего жизненного цикла. Такие данные позволят ученым лучше понять биологию транспозонов.
