Дослідники представили дорожню карту для регуляції генів у рослин
Уперше дослідники з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі Міністерства енергетики (Berkeley Lab) розробили в масштабі геному спосіб картування регулюючої ролі чинників транскрипції, білків, що відіграють ключову роль в експресії генів і визначають фізіологічні ознаки рослин. Їхня робота розкриває безпрецедентне розуміння мереж регуляції генів та ідентифікує нову бібліотеку частин ДНК, яку можна використовувати для оптимізації зусиль генної інженерії рослин.
"Фактори транскрипції регулюють такі речі, як ріст рослин, кількість плодів, які вони продукують, і те, який вигляд має їхня коренева структура", - сказав Ніклас Гаммель, провідний автор дослідження в журналі Cell Systems і науковий співробітник Департаменту Об'єднаного інституту біоенергетики Energy (JBEI), яким керує Berkeley Lab. "Розшифровуючи їхню регулюючу роль, ми можемо визначити нові стратегії для створення більш стійких до посухи біоенергетичних культур та інших рослин із поліпшеними агрономічними характеристиками".
Вивчення здатності сотень факторів транскрипції рослин вмикати та вимикати гени дає змогу вченим анотувати регуляторну активність у раніше описаних генних мережах. Це допоможе вченим зрозуміти, як великі групи факторів транскрипції регулюють свої гени-мішені під час посушливого стресу та різної доступності поживних речовин. Надано: Ніклас Фредерік Крістофер Хаммель/Лабораторія Берклі.
Хаммел і старший автор дослідження Патрік Ши, науковий співробітник відділу біологічних наук лабораторії Берклі та директор відділу проєктування біосистем рослин у JBEI, вирішили розробити метод для одночасної характеристики великої кількості факторів транскрипції в рослині. Хоча методи для цього існують для інших модельних організмів, таких як тварини, комахи та гриби, застосувати їх до рослин було складно через їхню складність і порушення наявності клітинних стінок.
"На сьогоднішній день такого роду дослідження справді проводилися по частинах на рослинах, де ми тільки зрозуміли функцію певного фактора транскрипції, тому що одна група дослідників зосередилася на ньому протягом багатьох років", - сказав Ши, який також є дослідником в Інституті інноваційної геноміки. "Отже, натомість ми спробували знайти спосіб картувати активність сотень цих факторів транскрипції в рослині одночасно".
Щоб розв'язати цю проблему, Хаммель і Ши використали систему тимчасової експресії, яку вони раніше розробили для створення інструментів синтетичної біології в рослинах. Тут вони використовували систему, щоб паралельно охарактеризувати мережу з більш ніж 400 ефекторних доменів транскрипції в тютюновій рослині Nicotiana benthamiana, що ніколи раніше не було досягнуто в синтетичній біології рослин.
Потім вони приступили до великого огляду літератури, щоб спробувати зіставити функцію факторів транскрипції, які вони ідентифікували в масовому порядку, з попередньою роботою, виконаною з визначення функції окремих факторів транскрипції в їхній мережі.
"Ми змогли показати, що люди бачили це, коли індивідуально вивчали роль факторів транскрипції в експресії генів, і це те, що ми бачили, коли вивчали їх паралельно", - сказав Ши. "Насправді в підсумку вийшло дуже гарне узгодження. Це дає нам упевненість у тому, що ми можемо інтегрувати наш набір даних у мережі регуляції генів, щоб визначити ключові фактори транскрипції для створення важливих ознак рослин".
Одним із несподіваних аспектів дослідження стало відкриття подібних механізмів регуляції транскрипції у віддалено споріднених еукаріотів. Вивчаючи функцію регуляції факторів транскрипції як у рослин, так і в дріжджів, дослідники виявили загальну функціональність, підкресливши наявність глибоко консервативних механізмів регуляції генів.
"Ми були здивовані, побачивши, що багато регуляторних доменів чинників транскрипції функціонують однаково у рослин і дріжджів", - сказав Хаммел. "Потім ми розширили це, щоб продемонструвати, як алгоритми машинного навчання, навчені на наборах даних про дріжджі, можуть працювати для визначення регуляторних доменів у рослинах".
Результати дослідження мають важливі наслідки для сільського господарства та сталого розвитку. Фактори транскрипції відіграють вирішальну роль у визначенні важливих ознак рослин, тож розуміння того, як вони працюють, допоможе вченим розробити стратегії для поліпшення методів ведення сільського господарства та вирішення екологічних проблем.
Забігаючи наперед, дослідники прагнуть розширити свій підхід до вивчення всіх чинників транскрипції в арабідопсису, широко досліджуваного модельного виду рослин. Це ще більше прискорить розуміння регуляції генів, специфічних для рослин, і сприятиме прогресу в галузі біології рослин.
"Наша здатність проектувати і модифікувати рослини залежить від нашого базового розуміння того, як регулюються різні ознаки", - сказав Ши. "Зрозумівши, як ключові фактори транскрипції можуть бути головними регуляторами ознак, які нас цікавлять, ми могли б визначити нові стратегії для поліпшення ознак, пов'язаних з біоенергетикою".
Також читайте: