​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.

Надежда Дмитриева

Похожие новости

  • 24/10/2016

    Новосибирские ученые разрабатывают биостимулятор роста растений на основе фитогормонов

    ​Сотрудница зеркальной лаборатории компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики Новосибирского государственного университета, аспирантка Института цитологии и генетики СО РАН Дарья Новикова разрабатывает стимулятор роста и развития культурных растений на основе комплекса фитогормонов.
    2683
  • 04/08/2016

    Новосибирские физики и биологи будут диагностировать раковые заболевания

    ​Учёные из сектора оптических методов исследования наноструктурированных материалов Аналитико-технологического инновационного центра (АТИЦ) «Высокие технологии и новые материалы» НГУ, Института физики полупроводников (ИФП) СО РАН, Института цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН и НИИ терапии и профилактической медицины работают над методикой диагностирования раковых заболеваний с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света.
    2459
  • 15/04/2016

    Новосибирские химики очищают водоёмы с помощью растений

    ​Учёные Новосибирского государственного университета занимаются исследованием растений, способных накапливать в своих тканях тяжёлые металлы, чтобы применять их для очистки водоёмов и почв от ядовитых веществ, которые попадают в окружающую среду с отходами промышленных предприятий.
    3613
  • 12/07/2017

    Сибирские и немецкие ученые разработали новый метод анализа данных в биоинформатике

    ​​Лаборатория компьютерной транскриптомики и эволюционной биоинформатики ФЕН НГУ совместно с коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН и Галле-Виттенбергского университета им.
    1359
  • 15/12/2016

    Новосибирские ученые исследуют возможные способы лечения генетических форм ожирения

    Студентка факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Анна Кулешова и выпускница ФЕН Юлия Пискунова занимаются на базе Института цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН изучением влияния «гормона сытости» лептина на экспрессию генов, контролирующих обмен веществ у мышей с ожирением.
    1961
  • 08/07/2017

    Новосибирские ученые предложили новый подход к лечению гипертонии

    ​Ученые Новосибирского национального исследовательского государственного университета совместно с коллегами из институтов СО РАН (Институт химической биологии и фундаментальной медицины, Институт цитологии и генетики, Институт катализа) смогли понизить давление у крыс с артериальной гипертонией (с хронически повышенным артериальным давлением) с помощью метода генной терапии.
    2024
  • 26/01/2017

    Новосибирские ученые создали клеточную модель болезни Хантингтона

    ​Биологи Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН создали клеточную линию, которая моделирует болезнь Хантингтона. Для этого учёные внесли необходимые мутации в клетки с помощью современной технологии редактирования генома CRISPR\Cas9.
    2128
  • 19/08/2016

    Из студентов НГУ - в преподаватели биоинформатики

    ​Школа довузовской подготовки факультета информационных технологий НГУ в новом учебном году расширяет работу со школьниками — появляются занятия со старшеклассниками в рамках создаваемой Научно-технической проектной лаборатории НГУ «Инжевика».
    2543
  • 26/06/2016

    Форум «Биомедицина-2016»

    С 26 июня по 1 июля в Новосибирске проходит форум «Биом​едицина-2016». ​В настоящее время биомедицинская наука преодолевает порог нового синтеза знаний, который ведет к формированию медицины нового поколения.
    5071
  • 29/12/2017

    Биолог, психолог и востоковед рассказали о символе 2018 года

    Какая порода самая древняя? Почему собаки могут есть овсянку? Почему в Китае слагали легенды об этих животных и зачем вообще люди заводят собак? Ответы на эти вопросы ищите в материале ниже. Собака — родственник человека.
    1436