​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

  • 02/11/2017

    Новосибирские ученые нашли необычные генетические особенности у свободноживущего морского червя

    ​Новосибирские ученые под руководством заведующего кафедрой цитологии и генетики НГУ, заведующего лабораторией морфологии и функции клеточных структур Института цитологии и генетики СО РАН, доктора биологических наук Николая Рубцова предложили новую модель для изучения ранних этапов эволюции генома после полногеномной дупликации.
    634
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    2070
  • 19/07/2018

    Клиника НИИКЭЛ - особый формат медицинского учреждения

    Клиника научно-исследовательского института — особое подразделение, требующее специальных условий, кадров и технологий. О специфике работы такой структуры и результатах объединения институтов в Федеральные исследовательские центры «Науке в Сибири» рассказал заместитель руководителя по научной и клинической работе в клинике Научно-исследовательского института клинической и экспериментальной лимфологии (филиал ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН») кандидат медицинских наук Максим Александрович Королев.
    354
  • 16/04/2018

    Ученые нашли новый белок-регулятор развития древесины

    Группа ученых из пяти стран, включая Россию, исследовала генетическую регуляцию деления стволовых клеток в стебле растений и обнаружила ранее неизвестный механизм контроля роста древесины фитогормоном ауксином.
    465
  • 21/11/2016

    Технологии создания и применение ГМО

    В последние годы все чаще говорят о том, что мир стоит на пороге кардинальных изменений системы образования. И одна из первых «ласточек» этого процесса – MООС (массовые открытые онлайн-курсы) от университетов и колледжей.
    1288
  • 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.
    1684
  • 30/08/2018

    «Технопром-2018»: о развитии геномных и клеточных технологий в России

    О будущем геномных и биотехнологий в России  рассуждали ученые, чиновники и руководители инвестиционных фондов на VI Международном форуме и выставке технологического развития «Технопром-2018». Участники отметили необходимость проработки законодательной базы в области медицинского применения клеточных продуктов и создания единой программы развития этой научной области, которая будет включать  планы не только научных организаций, но и представителей бизнес сообщества и министерства здравоохранения.
    398
  • 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.
    1526
  • 11/01/2019

    В Новосибирске предлагают построить центр клеточной иммунотерапии

     10 января губернатор Новосибирской области Андрей Травников посетил Научно-исследовательский институт фундаментальной и клинической иммунологии СО РАН. В ходе рабочей поездки главе регионе был представлен инновационный проект медицинского научно-исследовательского центра клеточной иммунотерапии и регенеративной медицины стоимостью 1,2 млрд.
    248
  • 03/02/2016

    Для чего ученые красят пшеницу?

    ​​​​Ученые Федерального исследовательского центра "Институт цитологии и генетики СО РАН" (ИЦиГ СО РАН) ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы.
    3238