Российские ученые расшифровали генетический механизм, который позволяет картофелю и томатам защищаться от жары и засухи. С помощью методов анализа больших данных исследователи выявили генные сети — комплексы генов, белков и регуляторных элементов, — которые активируются в ответ на стресс. Механизм оказался общим для пасленовых культур, что указывает на древность и универсальность этой программы выживания. Открытие дает селекционерам новые инструменты для создания сортов, устойчивых к климатическим изменениям. При этом, отмечают эксперты, для корректного анализа необходимы качественные и проверенные данные.
Как генетические сети включаются для защиты от стрессов
Ученые из Сибирского федерального университета, Института цитологии и генетики СО РАН и Новосибирского государственного университета расшифровали древнюю генетическую стратегию, которая позволяет картофелю и томату приспособиться к жаре и засухе. Это достижение дает селекционерам новые инструменты для ускоренного создания сортов, способных адаптироваться к условиям глобального потепления.
Согласно актуальным прогнозам, средняя глобальная температура к концу XXI века может вырасти на 1–7 градусов, пояснили специалисты. Во многих регионах это приведет к сокращению осадков и учащению засух. Для адаптации к климатическим изменениям необходимы сорта растений, устойчивые к новым условиям, поэтому исследователи поставили задачу определить, какие гены активируются при температурном стрессе, а какие остаются неработающими.
— В основе исследования лежит современный метод RNA-seq, позволяющий проводить глубокий анализ всех молекул РНК (рибонуклеиновых кислот) в образце. Это промежуточные структуры между генами и белками, а их изучение дает возможность определить, какие генетические «инструкции» считываются и реализуются, а какие — нет. Всего в рамках работы были проанализированы 450 образцов картофеля и томата, — рассказала один исследователей, научный сотрудник лаборатории лесной геномики, доцент кафедры геномики и биоинформатики СФУ Евгения Бондар.
В результате были получены воспроизводимые генетические сети — комплексы, включающие более 5 тыс. генов, белков и регуляторных элементов, которые изменяют поведение растений в ответ на жару и засуху, добавила она. Выяснилось, что оба растения используют схожую стратегию выживания: они подавляют программы роста и фотосинтеза для экономии ресурсов и одновременно активируют защитные механизмы.
— Обнаруженный механизм представляет собой масштабную перестройку внутренней «программы», — добавила Евгения Бондар. — В первую очередь притормаживаются базовые процессы фотосинтеза и роста растений. В то же время запускается усиленное производство шаперонов — особого класса белков, которые защищают другие белки от разрушения. Также приводятся в действие системы борьбы с окислительным стрессом — опасным состоянием, при котором в клетках накапливаются агрессивные формы кислорода.
Работа позволила получить системное представление о том, как пасленовые культуры, включая картофель и томат, адаптируются к стрессовым условиям на уровне целых генных сетей, а не отдельных генов, подчеркнула она. Общность механизмов реакции на стресс указывает на то, что они сформировались и сохранялись в ходе миллионов лет эволюции.
Как древняя программа помогает растениям выжить
По мнению исследователей, это указывает на исключительное значение найденной «программы выживания» — она настолько важна, что природа сохранила ее неизменной даже после разделения видов. Понимание этого открывает путь к созданию универсальных подходов в селекции.
— Устойчивость к стрессам — это слаженная работа множества генов, целая регуляторная сеть, — добавила Евгения Бондар. — Понимание, как она работает, помогает обоснованно выбирать гены-кандидаты, которые отвечают за определенные признаки, чтобы повысить устойчивость растений. В дальнейшем можно применять предложенный подход на практике, выбирая лучшие растения по ДНК-маркерам, а также скрещивая культурные сорта с дикими, чтобы придать им силу.
По ее словам, в работе был сделан акцент на семействе пасленовых, но метод применим и к другим видам растений.
— Методы метаанализа позволяют с помощью цифровых инструментов работать с более крупными массивами данных, выявляя закономерности реакции на стресс у разных видов. Кроме того, они дают возможность определить «индивидуальные» ответы отдельных групп генотипов на различные факторы, — пояснила старший научный сотрудник, руководитель группы функциональной генетики ВИР им. Н.И. Вавилова Екатерина Крылова.
Такой комплексный анализ, в частности, позволяет выявить гены-кандидаты, продукты которых участвуют в реакциях растений на воздействие стрессовых факторов. Это создает основу для обобщения данных и планирования дальнейших экспериментов, результаты которых имеют ключевое значение для целенаправленной селекции.
В то же время, добавила специалист, определенные сложности могут быть связаны с нехваткой данных для метаанализа — например, в случаях, когда тот или иной стресс-фактор изучен недостаточно. Однако по мере роста числа исследований и накопления новых результатов потенциал предложенного подхода будет расширяться.
— Внедрение прогрессивных технологий чрезвычайно важно. По картофелю мы даже наполовину не обеспечиваем потребности производств российскими семенами, — сообщил научный руководитель Государственного университета по землеустройству академик РАН Виктор Хлыстун.
По его мнению, медленное распространение отечественных сортов отчасти связано с тем, что зарубежные конкуренты сопровождают свои предложения пакетами сервисов — консультированием, средствами защиты, удобрениями и т. п. Российские научные центры не располагают аналогичными возможностями.
Кроме того, у отечественных селекционеров хватает базы для размножения и тиражирования новых сортов, отметил эксперт. Также длительное время занимает процесс районирования. Тем не менее за последние три-четыре года в картофелеводстве доля отечественных сортов в российских хозяйствах увеличилась примерно на 15%, добавил он.
— Работы по выявлению генов, отвечающих за механизмы устойчивости, имеют принципиальное значение как в контексте изменения климата, так и для решения задачи создания сортов, пригодных для выращивания в регионах, где ранее эти культуры не возделывались, — поделилась директор Центра агропродовольственной политики Президентской академии Наталья Шагайда.
По ее словам, одна из существенных проблем заключается в сокращении видового разнообразия томатов на рынке: из года в год количество представленных сортов уменьшается. Это связано с тем, что производители ориентируются на наиболее удобные для них решения и специализируются на них. Для сохранения разнообразия необходима конкуренция. В частности, важно поддерживать отечественные научные коллективы и производителей, чтобы их сорта могли успешно конкурировать с зарубежными, не прибегая при этом к закрытию импорта.