Сибирские генетики: первые шаги к управлению фотосинтезом

Сибирские генетики: первые шаги к управлению фотосинтезом
Фото: nsu.ru

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 (безъяедерных 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.

Транскриптом — это совокупность всех РНК клетки органа или всего организма, он отражает профиль активности генов организма в конкретный момент времени, например в отдельной ткани

Надежда Дмитриева

Ещё новости о событии:

Генетики Новосибирска намерены контролировать фотосинтез через ген-альбинос в мутантах дикого ячменя Bowman, который используется в изготовлении известного английского стаута,
18:39 05.12.2016 Sib.Fm - Новосибирск
Сибирские генетики: первые шаги к управлению фотосинтезом - НГУ
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,
09:04 05.12.2016 НГУ - Новосибирск
 
По теме
В Новосибирске ученые разрабатывают устройство для мобильной связи шестого поколения, без таких внедрить в жизнь 6G будет невозможно Между инфракрасным и микроволновым притаилось пока мало изученное,
Прием заявок: 15.03.2024 - 19.04.2024 Подведение итогов: 01.05.2024 – 08.05.2024   Организатор Конкурса – Министерство просвещения Российской Федерации Оператор Конкурса - ФГБУ «Российский детско-юношеский центр»   Цель:
В январе 2023 года в швейцарском журнале Axioms – высокорейтинговом международном журнале по проблемам математики и математической физики – вышла статья российских исследователей Александра Чупахина (профессор НГУ,
Как записать ребенка в 1 класс? - Мошковский район С 1 апреля 2024 года начинается прием заявлений в 1 класс. Самый простой способ подать заявление – направить через портал Госуслуги.
Мошковский район
На благо избирателей - Газета Степная нива В ходе выездного совещания комитета Законодательного Собрания Новосибирской области по бюджетной, финансово-экономической политике и собственности депутаты работали в Карасукском, Купинском и Баганском районах.
Газета Степная нива
Разнообразие талантов - Газета Новосибирский район - территория развития В Доме детского творчества «Мастер» 22 марта состоялся предпоследний этап открытого конкурса «Ученик года».
Газета Новосибирский район - территория развития
Житель города Бердска предстанет перед судом по обвинению в убийстве родственника - Следственный комитет фото СУ СК РФ по Новосибирской области Следственным отделом по городу Бердск следственного управления Следственного комитета Российской Федерации по Новосибирской области завершено расследование уголовного дела в отно
Следственный комитет
Сначала анализ, потом — диагноз - Газета Степная нива С самого утра в кабинеты клинико-диагностической лаборатории центральной районной больницы стекаются пациенты с направлениями от всех врачей.
Газета Степная нива
Делаем всё возможное - ГБУЗ НСО ГНОКБ За два года, в течение которых на базе Новосибирской областной больницы работает детское онкологическое отделение, 11 маленьких пациентов прошли процедуру заместительной почечной терапии - гемодиализ.
ГБУЗ НСО ГНОКБ
Гайдар – для поколений - Тогучинская ЦБС 6 марта Юртовская сельская библиотека присоединилась к региональной акции «Аркадий Гайдар – для поколений», посвящённой 120–летию со дня рождения А. П. Гайдара и Году семьи.
Тогучинская ЦБС
Путешествие по пушкинским страницам - ЦБС Баганского района Двадцать девятого марта в Теренгульской сельской библиотеке состоялся увлекательный квизбук «Путешествие по пушкинским страницам».
ЦБС Баганского района