Inżynieria genetyczna roślin rzuca światło na elementy regulacyjne specyficzne dla roślin Inżynieria genetyczna w roślinach rzuca światło na elementy regulacyjne specyficzne dla roślin

W miarę ciągłego zwiększania się populacji wzrasta również potrzeba wydajnego wzrostu upraw. Chociaż poczyniono ogromne postępy w genetyce i modyfikacji roślin, nadal pozostaje wiele do nauczenia się, jeśli chodzi o zrozumienie, w jaki sposób cechy roślin uprawnych, takie jak rozwój owoców, są regulowane między gatunkami roślin.

Zespół badawczy w Laboratorium Cold Spring Harborprowadzone przez Zachary LipmanDoktor zidentyfikował rozbieżne systemy regulacyjne dla tego samego genu, CLAVATA3 (CLV3). Gen ten, zakonserwowany od ponad 125 milionów lat, jest kontrolowany w różny sposób u pomidora i Arabidopsis.

„Ta praca została opublikowana w gazecie.”Maksymalna restrukturyzacja regionów cis-regulacyjnych kontrolujących głęboko konserwatywny regulator roślinnych komórek macierzystych” W Genetyka PLOS.

„Uderzającym paradoksem jest to, że geny z konserwatywnymi sekwencjami białek, funkcją i wzorcem ekspresji na przestrzeni długiego czasu często wykazują bardzo rozbieżne sekwencje regulacyjne. Nie jest jasne, w jaki sposób i w jakim stopniu ta radykalna ewolucja regulacji cis u różnych gatunków umożliwia funkcję genów zostać zachowane.” Różnice te wpływają na to, jak zmienność cis-regulacyjna powstająca w obrębie gatunku wpływa na zmianę fenotypową.

„W tym przypadku zbadaliśmy te kwestie, używając regulatora roślinnych komórek macierzystych, którego wzór ekspresji jest zachowany i funkcjonuje od około 125 milionów lat. Wykorzystując edycję genomu in vivo w dwóch odlegle spokrewnionych modelach, Roślina Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) i Solanum lycopersicum (pomidor) wygenerowaliśmy ponad 70 alleli delecyjnych w regionach powyżej i poniżej genu supresorowego komórek macierzystych CLAVATA3 (CLV3) i porównaliśmy ich indywidualny i łączny wpływ na wspólny fenotyp, czyli liczbę słupków tworzących owoce.

„Odkryliśmy, że sekwencje poprzedzające CLV3 pomidora są bardzo wrażliwe na nawet małe zaburzenia w porównaniu z regionem położonym poniżej. Natomiast funkcja CLV3 Arabidopsis jest tolerancyjna na poważne zaburzenia zarówno powyżej, jak i poniżej sekwencji kodującej. Połączenie delecji powyżej i poniżej ujawniło również Podczas gdy wzmocnienie fenotypowe w wyniku dodania dalszych mutacji było w większości słabe i addytywne w przypadku pomidora, mutacja obu regionów w Arabidopsis CLV3 spowodowała znaczące i synergistyczne efekty, wykazując odrębną dystrybucję i redundancję funkcjonalnych sekwencji cis-regulacyjnych.

„Nasze wyniki pokazują niezwykłą plastyczność organizacji regulacyjnej cis głęboko konserwatywnego regulatora roślinnych komórek macierzystych i sugerują, że zasadnicza przebudowa przestrzeni sekwencji regulatorowych cis jest powszechną, ale tajemniczą siłą ewolucyjną, która zmienia relacje genotyp-fenotyp zmienności regulacyjnej w konserwatywnych Geny gatunkowe Wreszcie, nasze odkrycia podkreślają potrzebę specyficznej dla linii analizy struktury przestrzennej organizacji cis, aby skutecznie opracować zmienność cech na podstawie konserwatywnych genów produktywności w uprawach.

Tworzenie mutacji w celu badania funkcji genów

Wykorzystując edycję genomu obu gatunków, naukowcy stworzyli ponad 70 zmutowanych roślin. Zbadali regiony regulatorowe w górę i w dół CLV3, aby określić wpływ tych regionów na ekspresję tego wysoce konserwatywnego genu. „CLV3 pomaga roślinom w normalnym rozwoju. Jeśli nie zostanie włączony na czas, rośliny będą wyglądać zupełnie inaczej. Wszystkie owoce będą ogromne i nie doskonałe” – powiedziała dr Danielle Serin, główna autorka badania i niedawna autorka doktorant.

W przypadku pomidora modyfikacje regionów regulacyjnych powyżej CLV3 miały dramatyczny wpływ na wielkość owoców, podczas gdy Arabidopsis rósł tylko wtedy, gdy zakłócano cele znajdujące się powyżej i poniżej. Sugeruje to, że w czasie ewolucyjnej dywergencji tych roślin, około 125 milionów lat temu, istniała jakaś siła napędzająca te zmiany organizacyjne.

„Nie można wrócić do wspólnego przodka, ponieważ już nie istnieje. Trudno więc powiedzieć, jaki był pierwotny stan i jak wszystko się pomieszało” – powiedział Cerin. „Prostszym wyjaśnieniem jest to, że istniał element organizacyjny, który została zachowana w pewnym sensie i została zmieniona w subtelny sposób.” . „To trochę nieoczekiwane”.

Jeśli chodzi o wzrost roślin, nie ma prostej odpowiedzi na włączenie lub wyłączenie genu. Najważniejszy jest czas, a dla zrównoważonego wzrostu roślin ważne jest uwzględnienie wielkości owoców i oczekiwanych plonów. „Musisz zrównoważyć wzrost i plony. Jeśli roślina ma gigantyczne pomidory, ale tylko dwa, czy jest to równie korzystne, jak niższy plon? Nie ma prostego rozwiązania. Zawsze coś poświęcasz, próbując coś ulepszyć” – podsumował Cerin.