New Phytologist: Растения изобрели защиту от мутаций

Без растительных митохондрий и хлоропластов человек долго бы не протянул. Эти важнейшие отделы растительных клеток, как известно, улавливают солнечный свет и питают растения энергией — и, в конечном счете, обеспечивают нас всеми продуктами питания.

Но есть проблема: митохондрии и хлоропласты хранят инструкции для своих строительных блоков в собственной «органельной» ДНК или оДНК, а она может мутировать.

Легкие последствия этого можно наблюдать на примере некоторых «пестрых» растений, у которых листья обесцвечиваются и теряют способность к фотосинтезу. Красиво для сада, но не для урожая.

Как растениям избежать накопления мутационных повреждений с течением времени?

Совместная работа Бергенского университета и Университета штата Колорадо пролила новый свет на этот вопрос.

Как ни удивительно, ответ на этот вопрос частично заключается в использовании случайности.

Достижение разнообразия с помощью случайности

Если растение наследует некоторое количество мутаций от матери и передает их каждому из своих потомков, то мутации неизбежно будут накапливаться в течение нескольких поколений, и потомки растения будут вымирать. Вместо этого растения распределяют унаследованные повреждения таким образом, что если одни потомки, к сожалению, наследуют большое количество мутаций, то другие — гораздо меньшее. Этот процесс, происходящий и у животных (включая человека), называется сегрегацией. Он основан на том, что растение генерирует случайные различия между своими потомками.

Известно, что у человека процесс сегрегации протекает очень быстро и оказывает большое влияние на наследование генетических заболеваний человека, — говорит Дэн Слоан, руководитель исследовательской группы из Колорадо.

Примечательно, что мы обнаружили, что у растений этот процесс происходит еще быстрее.

Последствия для сельского хозяйства

Наша работа действительно интересна, поскольку до сих пор у нас было очень мало информации о том, как эти мутации ведут себя в растениях, — добавила Аманда Броз, первый автор исследования.

В последнее время ученые, занимающиеся сельским хозяйством, заинтересованы в изучении вариаций в оДНК, поскольку митохондрии и хлоропласты играют важнейшую роль в росте и урожайности растений, и наши результаты — хорошая новость для селекционеров, желающих внедрить новые полезные мутации.

Чтобы понять процесс сегрегации оДНК, команда создала растения, унаследовавшие высокий уровень мутаций, и проследила, как эти мутации распределяются по растению с течением времени. Затем с помощью математического и статистического моделирования эти экспериментальные наблюдения были переведены в теорию, описывающую, как растение случайным образом распределяет унаследованные повреждения.

Они обнаружили, что комбинация процессов — случайное распределение оДНК при делении клеток и случайная перезапись одних молекул оДНК другими — может объяснить все наблюдения за сегрегацией растений во времени и от материнских к дочерним. Они также нашли некоторую поддержку идее о том, что растения «откладывают» некоторые клетки в начале своей жизни, которые в конечном итоге будут отвечать за производство следующего поколения — идея, которая в настоящее время активно обсуждается в науке о растениях.

Я много лет мечтал изучить этот процесс, — сказал Иэн Джонстон, автор-корреспондент и руководитель группы исследователей из Бергена.

Именно сочетание новых прекрасных линий растений, детальных экспериментов и современных математических и статистических методов позволило это сделать.

Полученные группой результаты подтверждают недавние теории о том, как многие другие формы жизни поддерживают свои электростанции, и могут стать шагом к манипулированию оДНК в растениях — важному аспекту селекции и повышения урожайности.

06.11.2023