Генетическая бомба 19 века: человечество раскрыло секрет необычного растения
Международная команда исследователей из разных областей науки совершила прорыв, который можно назвать историческим.
Им удалось раскрыть генетические секреты знаменитых экспериментов Грегора Менделя с горохом, заложившего основы генетики еще в XIX веке. Благодаря слиянию геномики, биоинформатики и классической генетики, ученым впервые удалось составить карту генетических вариантов, определяющих семь ключевых признаков гороха (Pisum sativum), с которыми работал отец генетики. Это открытие не только проливает свет на гипотезы Менделя, но и показывает, как формируются биологические различия у растений. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature, открывая новую главу не только в изучении наследия Менделя, но и в геномных исследованиях бобовых культур, которые сегодня считаются перспективным источником экологически чистого растительного белка.
Грегор Мендель: незримые основы генетики
В середине XIX века австрийский математик и биолог Грегор Мендель провел титаническую работу: он вручную скрестил около 28 тысяч растений гороха, чтобы понять, как передаются наследственные признаки.
Тогда понятие "ген" еще не существовало, но Мендель интуитивно пришел к выводу о наличии неких "наследственных факторов", которые определяют, какие характеристики перейдут к потомству — доминантные или рецессивные. Его эксперименты касались семи конкретных черт гороха: формы и цвета семян, стручков, окраски цветков, высоты растения и расположения соцветий. Несмотря на то, что за полтора века наука шагнула далеко вперед, идентифицировав тысячи менделевских черт у растений и животных (в том числе у человека), три из семи признаков его гороха оставались загадкой: они были описаны, но не привязаны к конкретным генам.
Поиск ответов: 3500 сортов и 700 геномов
Исследователей особенно заинтересовали "белые пятна" в менделевских работах. Чтобы их устранить, ученые обратились к богатейшему ресурсу — банку Germplasm Resource Unit Центра Джона Иннеса, где хранятся свыше 3500 сортов гороха.
Объединив эти данные с общедоступными геномными наборами, команда отсеквенировала в общей сложности 700 геномов Pisum sativum. Это позволило обнаружить около 155 миллионов однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) — мельчайших вариаций в ДНК по сравнению с референсным геномом гороха. Применяя селективное скрещивание растений и масштабные исследования геномных ассоциаций, ученые составили детальную геномную карту вида — от современных культивируемых сортов до диких родственников. В итоге были идентифицированы гены, отвечавшие за три "пропавшие" менделевские характеристики.
Секреты гороха Менделя, открытые спустя века
Анализ показал, что за окраску стручка (зеленую или желтую) отвечает ген, связанный с нарушением биосинтеза хлорофилла. По словам одного из авторов исследования, Джули Хофер, цвет стручка десятилетиями оставался необъяснимым, несмотря на активные поиски; оказалось, что всё дело в тонкой регуляции генома на уровне транскрипции.
Форма стручка, как выяснилось, контролируется двумя генами, влияющими на утолщение клеточных стенок растения. И, наконец, позиция цветков на стебле (осевая или конечная) определяется делецией (выпадением участка) в определенном гене. Как отметил соавтор исследования Шифэн Ченг, Мендель фактически открыл законы наследственности, не зная самого понятия "ген"; теперь, с помощью современных инструментов, удалось увидеть те самые мутации, которые он интуитивно отслеживал в своих экспериментах.
Будущее растениеводства и генетики
Открытие имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Горох и другие бобовые культуры сегодня крайне важны как устойчивый источник растительного белка: они требуют меньше удобрений, а значит, снижают загрязнение почвы и воды.
По мнению соавтора Ноама Чаюта, созданный командой "геномный ресурс непревзойденной глубины и охвата" уже вызывает интерес научного сообщества и агрохолдингов. Исследователи и компании заказывают семена, соответствующие новым геномным картам, что в перспективе изменит подходы к селекции и научному изучению гороха по всему миру. Фактически, спустя 160 лет после опытов Менделя, наука не просто подтвердила его правоту — она дала старт новой эре в растениеводстве и генетических исследованиях.
Уточнения
Грегор Иоганн Мендель — чешско-австрийский биолог-генетик, монах-августинец, аббат. Основоположник учения о наследственности.