Новая 3D-технология раскрыла, как растения управляют фотосинтезом

Китайские ученые разработали метод, который позволяет по-новому взглянуть на то, как гены растений управляются в пространстве. Это не только шаг к лучшему пониманию фотосинтеза, но и возможность более точно управлять урожайностью.

Пространственная структура генома регулирует работу генов у растений — особенно это важно для генов, связанных с фотосинтезом и другими ключевыми признаками, влияющими на развитие и урожайность

Источник: Unsplash

Работа опубликована в журнале Science Advances командой под руководством профессора Сяо Цзюня из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук совместно со специалистами BGI Research. Исследователи создали технологию, раскрывающую, как трехмерная структура генома растений влияет на экспрессию генов, особенно связанных с фотосинтезом.

Хроматин — смесь ДНК и белков в ядре клетки — организован в виде сложной трехмерной сети. Эти пространственные взаимодействия помогают регулировать работу генов. До сих пор методы вроде Hi-C или ChIA-PET позволяли только частично изучать такую структуру. Они были либо недостаточно точными, либо слишком затратными.

Чтобы решить эти проблемы, ученые объединили два подхода: ATAC-seq, выявляющий активные участки ДНК, и Hi-C, фиксирующий контакты между фрагментами хроматина. Результат — новый метод TAC-C, который позволяет точно и эффективно строить карту взаимодействий в геноме.

Схематический обзор технологии TAC-C и закономерности дальних взаимодействий хроматина, выявленных с помощью TAC-C

Источник: Science Advances

Применяя TAC-C, команда построила трехмерные карты для геномов четырех сельскохозяйственных культур. Выяснилось, что области, в которых сходятся многие контакты, играют важную роль в регуляции генов. Они чаще содержат элементы, отвечающие за важные признаки растения — такие как форма листьев или скорость роста.

Особенно интересные результаты были получены для пшеницы. Ученые обнаружили, что в разных частях ее сложного генома хроматин взаимодействует по-разному. Это связано с тем, что некоторые области содержат больше мобильных элементов ДНК, способных менять структуру генома. Такие различия влияют на то, какие гены активны, а какие — нет.

Новая технология TAC-C позволяет точно исследовать взаимодействия в хроматине — она объединяет существующие методы и дает более детальные 3D-карты генома, что открывает новые возможности для генетики и сельского хозяйства

Источник: Unsplash

Кроме того, исследование показало, что в якорных точках хроматиновых петель часто находятся участки связывания для особых белков — факторов транскрипции, которые регулируют активность генов. Один из этих факторов, SBP, оказался особенно важен. Его отсутствие привело к исчезновению хроматиновых петель, а вместе с ними — и к нарушению работы генов, участвующих в фотосинтезе.

Эти результаты показывают, что трехмерная организация генома — не просто архитектурная особенность, а активный инструмент управления развитием растения. Новый метод TAC-C открывает путь к более точному изучению этих процессов, что особенно важно для создания более продуктивных сельскохозяйственных культур.

Трехмерная организация генома помогает растениям тонко регулировать работу своих генов в ответ на внешние сигналы, включая свет и стресс. А как деревья на уровне физиологии принимают решение при нехватке воды — можно узнать в этой статье.