Есть ли у растений гены: «Есть ли гены у растений?»

Содержание

Генетики научили клетки растений выполнять логические операции

Австралийские генетики расширили арсенал биокомпьютеров — живых клеток, способных выполнять некоторые логические операции. В этот раз осуществлять
операции YES, NO, AND, OR, и более сложные, научили клетки растений. Статья опубликована
в журнале Nature Biotechnology.

Одно из направлений синтетической биологии, которая
занимается наделением живых организмов искусственными свойствами, посвящено созданию
вычислительных автоматов на базе живых клеток. В основе этой концепции лежит
способность управлять экспрессией определенных генов извне при соблюдении ряда
условий. В модельной ситуации обычно используют гены-репортеры — к примеру, светящиеся
белки, однако в идеальном случае так можно управлять широким спектром генов, а
значит, и свойств клеток.

Любимыми объектами генных инженеров до сих пор были
бактерии, так как с ними просто осуществлять генетические манипуляции, и многие
их гены подвержены однозначной регуляции. О том, как могут работать бактериальные биокомпьютеры мы подробнее писали, например, здесь и здесь.

Преимуществом бактериальных вычислителей, является наличие
множества генов, экспрессия которых запускается единственным веществом (к примеру,
определенным типом сахара). Это позволяет инициировать выполнение логической
операции просто добавлением вещества в раствор (в простейшем случае это
операции YES, NO). В эукариотических
клетках регуляция экспрессии генов устроена сложнее, и генов, подверженных такой
однозначной регуляции, очень мало. Поэтому генным инженерам для упрощения
управления экспрессией приходится вводить в ДНК дополнительные элементы.

К примеру, чтобы выключить экспрессию гена, а затем
включить, между кодирующей последовательностью и ее регуляторной областью
(промотором) можно поместить несколько шпилек, препятствующих запуску
экспрессии гена, а по краям этой кассеты поместить сайты распознавания
рекомбиназы — фермента, который вырезает участки ДНК по определенным
последовательностям. В этом случае активация рекомбиназы приведет к вырезанию «тормозящих»
шпилек и включению гена. Для включения самой рекомбиназы можно использовать
искусственные регулируемые промоторы, которые вводятся в клетку вместе с геном
фермента.

Подобный подход ученые из Бостонского университета уже
реализовали в 2017 году на клетках млекопитающих. Теперь же генные инженеры из
Университета Западной Австралии под руководством Райана Листера (Ryan Lister) применили рекомбиназы
в клетках модельного растения Arabidopsis thaliana и научили их выполнять ряд логических операций с двумя
входными сигналами.

Для этого исследователям пришлось использовать две разных
рекомбиназы — дрожжевые Flp и B3
с разными сайтами узнавания. Экспрессия самих рекомбиназ включалась под
действием разных сигналов, например, нагреванием или добавлением дексаметазона.
Выходными сигналами служило включение репортерных белков — зеленого флуоресцентного
белка или люциферазы.

К примеру, чтобы реализовать операцию OR, выключатель перед репортерным геном ставили
в окружение сайтов распознавания обеих рекомбиназ — таким образом, клетки
начинали светиться в присутствии либо одного, либо другого входного сигнала. Для
реализации операции AND
перед геном ставили два выключателя с последовательностями для одной и второй
рекомбиназ, то есть клетки начинали светиться только в присутствии обоих
входных сигналов.

Кроме того, авторы работы реализовали другие, более сложные
операции, к примеру, активация в присутствии одного из сигналов, но не обоих
сразу (оператор NAND). По
их словам, это приближает ученых к созданию ячеек памяти на основе живых
клеток, так как экспрессия генов в такой модели является постоянной и после
активации не зависит от внешних условий, в отличие от естественной клеточной
регуляции. Кроме того, дополнительные способы управлять свойствами растительных
клеток могут пригодиться в биотехнологии для создания сортов с заданными
свойствами.

Второй подход, который можно применить в клетках
эукариот для направленного изменения экспрессии генов — использование искусственных
факторов транскрипции. При помощи этих белков ученым из Стэнфордского
Университета удалось управлять ростом корней у Arabidopsis. Препринт
их статьи недавно был выложен на bioRxiv.

Дарья Спасская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Биологи впервые обнаружили горизонтальный перенос генов от растения к насекомому

Китайские биологи описали первый известный пример горизонтального переноса генов от растения к насекомому. Оказалось, табачные белокрылки (Bemisia tabaci) присвоили себе растительный ген. Синтезируемый с помощью этого гена фермент позволяет насекомым нейтрализовать яд, призванный защищать растения, поэтому на этих насекомых-вредителей не влияют растительные токсины. Работа опубликована в Cell.

За более чем 400 миллионов лет сосуществования с травоядными животными растения научились защищаться: какие-то изменили свою морфологию (например, изменили форму листьев), другие же применили биохимические способы отражать атаки насекомых.

Фенольные гликозиды – группа соединений, состоящих из углеводного остатка и фенольной группы – одни из самых распространенных метаболитов растений, которые могут влиять на рост, развитие и поведение насекомых. Самим растениям эти соединения не опасны: они при помощи фермента малонилтрансферазы присоединяют к гликозидам малониловую группу, в результате фенольные гликозиды теряют свою токсичность.

Некоторые насекомые, однако, не испытывают негативных последствий от попадания фенольных гликозидов в их организм вместе с пищей: наоборот, они научились использовать их как питательные вещества и стимуляторы кладки яиц. Представители вида табачная белокрылка (Bemisia tabaci) – распространенные насекомые-вредители. B. tabaci питаются флоэмой растений, проводящей тканью, по которой продукты фотосинтеза – питательные вещества – поступают к корням, цветкам, плодам. Белокрылки переносят растительные вирусы и в целом сильно снижают урожайность. При этом вредители могут питаться более чем 600 видами растений – и прекрасно адаптируются к защитным механизмам всех этих видов. Большинство из этих растений как раз используют фенольные гликозиды как способ биохимической защиты. Bemisia tabaci нейтрализуют эти соединения при помощи ферментов, однако как именно им удается обойти отличающиеся друг от друга защитные приспособления стольких растений, оставалось неизвестным.

Ученые Китайской академии агрокультурных наук под руководством Юцзюнь Чжана (Youjun Zhang) провели биоинформатический анализ и обнаружили в геноме насекомых B. tabaci ген малонилтрансферазы, который, по-видимому, и помогает насекомым нейтрализовать действие фенольных гликозидов. Дальнейшие исследования показали, что ближайшие гомологи этого гена есть у растений, но не у членистоногих. Ученые пришли к выводу, что что в геном насекомых B. tabaci попал специфичный для растений ген BtPMaT1. Этот ген экспрессируется у насекомых на всех стадиях развития, но больше всего во взрослом возрасте, и особенно в желудке.

Исследователи решили проверить, спасает ли растительный ген насекомых от воздействия фенольных гликозидов. Из листьев томата биологи выделили 11 соединений этой группы. Пять из них оказались ядовитыми B. tabaci, а шесть – не причинили вреда. При этом концентрации веществ (10 микромоль) в эксперименте были намного выше, чем те, которые получают насекомые в природе с пищей. Когда ученые снизили экспрессию гена BtPMaT1 на 49,2 процента, пять «нетоксичных» гликозидов повысили смертность насекомых.

Эксперименты in vitro на клеточных культурах показали, что белок BtPMaT1 действительно обладает малонилтрансферазной активностью в отношении трех из одиннадцати протестированных фенольных гликозидов. Под действием BtPMaT1, эти соединения превратились в соответствующие малонилгликозиды. Схожие результаты были получены и в экспериментах на насекомых, которых кормили листьями томатов.

Наконец, ученые проверили, можно ли повысить устойчивость растений к белокрылкам. Исследователи создали трансгенный томат, в геном которого вставили участки ДНК, кодирующие образующие шпильки малые молекулы РНК. Шпильки из РНК позволяют подавлять экспрессию того или иного гена, в этой работе ученые нацелили их на BtPMaT1. Смертность у насекомых, которым дали листьями таких томатов, повысилась уже на первый день кормления. В условиях, имитирующих полевые, трансгенные томаты привели к смерти почти 100 процентов белокрылок, тогда как в контрольной группе смертность составила только 20 процентов.

Исследование раскрывает необычный эволюционный путь, благодаря которому табачные белокрылки смогли применить растительный ген для нейтрализации растительного же токсина. До этого были известны примеры горизонтального переноса генов членистоногим только от микроорганизмов. Показанный же в этой работе горизонтальный перенос растительного гена наделил насекомых способностью питаться многими растениями, не опасаясь фенольных гликозидов.

Горизонтальный перенос генов – естественный процесс, когда один организм передает генетический материал не своему потомку. Получить чужую ДНК очень непросто, и о том, как это происходит, может прочитать в материале «Поверх барьеров».

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Роза — это роза, пока она не станет: 5 причин, по которым ДНК растений совершенно безумно

Сообщение на Facebook
Сообщение в Twitter
Share на Reddit
Акции на Linkedin

6666.

Поделиться по электронной почте
Распечатать

Возможно, вы недооцениваете свои комнатные растения. То, что выглядит как невинный филодендрон, собирающий пыль, на самом деле может быть загадкой, окутанной тайной, окутанной горшечной почвой… по крайней мере, генетически.

Оказывается, у растений есть некоторые интересные генетические особенности, о которых генетики не могут догадаться. Как показали трудности в поиске коротких путей для секвенирования генов, называемых штрих-кодами, расшифровка генетики растений может быть очень непростой задачей. Вот пять причин, по которым растительная ДНК совершенно запутывает и совершенно захватывает тех, кто ее изучает:

1- Вход в клетку : Одной из уникальных особенностей растительной клетки является хлоропласт, двигатель фотосинтеза. ДНК из хлоропластов является одной из самых надежных в растительной клетке. Это потому, что он унаследован только от одного родителя, поэтому его легче понять, чем ДНК в ядре (подробнее об этом позже!). Однако есть небольшая загвоздка: иногда хлоропласты могут переноситься от одного организма к другому, даже от одного вида к другому. В результате хлоропласт растения может нести информацию, совершенно не относящуюся к виду, который изучает генетик.

2- Запутанные родословные : «Многие растения живут так долго, что могут делать вещи, которые мы обычно не наблюдаем у животных», — говорит генетик растений Дэймон Литтл из Нью-Йоркского ботанического сада. «Например, у вас может быть материнское дерево, размножающееся с правнуком прямо под ним». Растения перекрывают поколения, путешествуют минимально и могут клонировать себя. Они также медленно мутируют. Если генетическая изменчивость распространяется очень медленно в популяции, деревья на одном конце леса могут выглядеть на молекулярном уровне иначе, чем деревья на другом конце, даже если физически они явно принадлежат к одному и тому же виду.

3- Два генома лучше, чем один : Растения должны выдерживать стрессовые условия без возможности перемещения. К счастью, они разработали удобный способ расширить свой адаптивный репертуар: подобрать дополнительный геном. Путем гибридизации организмы могут удваивать свой геном, приобретая дополнительные наборы хромосом. Животные с половыми хромосомами, такие как люди, диплоидны; у них есть два набора хромосом, по одному от каждого родителя. Организмы с более чем двумя наборами являются полиплоидными. У пшеницы 6 наборов, всего 42 хромосомы; кофе может иметь 8 наборов из 11 хромосом, всего 88*. Многие наборы делают расшифровку одного или двух маркеров в запутанном мотке хромосом в ядре растительной клетки сизифовой задачей.

4- Иногда один геном лучше двух : Учитывая стрессы, которым подвергаются растения, все они — в какой-то момент своей истории — были полиплоидами. Но это не значит, что они остаются такими. Со временем гены, не дающие преимуществ, отбрасываются. Процесс ускоряется тем, что дисбаланс генетического материала создает новые проблемы. У растений, как и у животных, лишняя хромосома может иметь серьезные последствия. Синдром Клайнфельтера и синдром Дауна являются человеческими примерами, а некоторые болезни сельскохозяйственных культур вызваны наличием дополнительной хромосомы. В результате такие виды растений, как мускат, которые были полиплоидными 10 миллионов лет назад, избавились от большинства дополнительных генов, которые у них когда-то были, так что сегодня они почти диплоидны. «Это делает эти растения очень запутанными для анализа», — говорит Лука Комай, генетик растений из Калифорнийского университета в Дэвисе. Рис, например, сегодня является диплоидным растением, но его генетическая последовательность все еще несет на себе отпечатки пальцев полиплоидии — следы других геномов.

5- Грибок среди нас : «Нечасто об этом думаешь, но вся жизнь, какой ты ее знаешь, покрыта грибками», — говорит Литтл. Некоторые растения более подвержены грибковому заражению, чем другие, и в результате, по словам Литтла, до четверти образцов растений в генетическом архиве GenBank на самом деле являются грибковыми. Еще одним распространенным виновником загрязнения является микробная ДНК, которая проникает в образец. К счастью, такого рода загрязнения можно исправить, если сообразительные ученые заметят нарушения. Чем больше растений (и в этом отношении микробов и грибов) исследуется, тем генетики могут выявлять и исправлять больше ошибок загрязнения.

«ДНК растений может быть более сложной из-за двойственности ее природы», — говорит Комай. «Вы можете заглянуть внутрь и обнаружить, что оно очень похоже на другое растение. Но вы можете упустить целый другой геном, и тогда это будет совершенно другое существо». Двусмысленные нарциссы — кто бы мог подумать?

* Исправление (08.05.12): Это предложение было отредактировано после публикации, чтобы исправить числа хромосомных наборов, указанные для пшеницы и кофе.

Выраженные взгляды принадлежат автору(ам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

Дейзи Юхас редактирует колонку Scientific American Mind Matters. Она является внештатным научным журналистом и редактором из Остина, штат Техас. Подписывайтесь на Юхас в Твиттере @DaisyYuhas. Автор фото: Ник Хиггинс.

Анатомия

Клитор был потерян для науки на века, но он возвращается

Изменение климата

Международному спорту необходимо уделять первостепенное внимание устойчивому развитию

Медицина

Первая «вагина на чипе» поможет исследователям тестировать лекарства

Искусственный интеллект

генетики растений, некоторые гены — двойная проблема

Перейти к содержимому

Меню газетного киоска

Изменение одного гена растения может усилить желаемые признаки, но изменение того же гена в другом типе растения может не дать такого же результата. Табачное растение с мутацией, созданной в 9Ген 0031 clv3 делает более крупные и многочисленные стебли, ветви и цветочные ткани. Исследователи CSHL обнаружили, что одна и та же мутация у эволюционно родственных растений вызывает разные эффекты. Изображение: лаборатория Чун-Так Квон/Липпман

Время чтения 2 минуты | Понедельник, 28 марта 2022 г.

Вывод

Многие гены, контролирующие желаемые черты, являются общими для разных видов, что указывает исследователям на многообещающие цели для редактирования генома. Но профессор лаборатории Колд-Спринг-Харбор и исследователь HHMI Закари Липпман предупреждает, что разные растения могут по-разному реагировать на изменения в одном и том же гене. Причина в том, что гены могут дублироваться в ходе эволюции, и дубликаты могут изменяться. Оптимизация редактирования генома требует понимания происхождения растения и набора родственных генов.

Когда генетики растений находят ген, повышающий урожайность, они хотят попытаться внедрить такое же изменение в другие культуры. Но профессор лаборатории Колд-Спринг-Харбор и исследователь HHMI Закари Липпман предупреждает, что недостаточно просто знать, что делает один ген. Он обнаружил, что полезно знать, какие другие близкородственные гены могут скрываться в геноме, чтобы блокировать ожидаемое улучшение.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Plants , Липпман, бывший постдоктор Цао Сюй (сейчас работает в Китайской академии наук в Пекине) и его коллеги демонстрируют, как дублированные гены в геномах растений усложняют планы разработчиков сельскохозяйственных культур. У растений часто встречаются дупликации генов. Многие действуют как «резервные копии» исходного гена. Но, основываясь на удивительных выводах своей команды, Липпман говорит, что наличия отличного кандидата на редактирование генов недостаточно, чтобы предсказать результат запланированных изменений: «Отсутствие предсказуемости в контексте дублирующегося гена действительно должно открыть глаза для разработка улучшений урожая».

Группа изучала ген clv3 . Этот ген продуцирует белок, который ограничивает рост развивающихся тканей растений. Мутации в clv3 привели к повышению урожайности многих домашних растений. У помидоров, например, мутации в clv3 связаны с более крупными плодами с большим количеством секций семян. Команда Липпмана ввела эквивалентные мутации в ген clv3 растений томата, табака, вишни и петунии. Все четыре завода входят в состав Семейство Solanaceae , также известное как пасленовые. Липпман и его коллеги ожидали увидеть аналогичные результаты, но то, что они обнаружили, оказалось интригующим.

В табаке эффект был поразительным, удвоив размер определенных областей роста. Это изменение произошло из-за потери растением резервного гена clv3 . У томата дуплицированный ген частично буферирует мутации clv3 , поэтому эффекты были более умеренными. У наземной вишни и петунии мутация clv3 малоэффективна. Оба завода имели по clv3 -подобные гены, которые компенсировали изменения, внесенные исследователями в ген clv3 .

Липпман считает, что для оптимизации сельскохозяйственных культур посредством редактирования генома может потребоваться инвентаризация дублированных генов. Разработчики сельскохозяйственных культур должны понимать, как важные гены дублировались, удалялись и изменялись с течением времени. Это позволяет ученым разрабатывать более предсказуемые улучшения урожая.

Автор : Дженнифер Михаловски, 9 лет0031 Научный писатель | [email protected] | 516-367-8455

Финансирование

Национальный фонд естественных наук Китая, Академия наук Китая, Медицинский институт Говарда Хьюза, Инициатива исследований в области сельского хозяйства и пищевых продуктов Конкурсный грант от Министерства сельского хозяйства США, Национального института продовольствия и сельского хозяйства , Программа исследования генома растений Национального научного фонда

Ссылка

Квон, К., и др. ., «Динамическая эволюция компенсации малых сигнальных пептидов в контроле стволовых клеток растений», Nature Plants , 28 марта 2022 г. DOI: 10.1038/s41477-022-01118-w

В курсе

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы ежемесячно получать последние открытия, предстоящие события, видео, подкасты и сводку новостей прямо на ваш почтовый ящик.

Подписка на рассылку новостей

Вывод

Главный исследователь

Закари Липпман

Профессор и исследователь HHMI
Джейкоб Голдфилд Профессор генетики
Директор последипломного образования
Доктор философии, Школа биологических наук им. yield генетика Геномика Биология растений Zachary Lippman

ОТКРОЙТЕ ДЛЯ СЕБЯ: Истории по теме

Создание культур для меняющегося климата

Перед лицом изменения климата инженерные генетические модификации новых культур обеспечат будущее продовольствием.