В свежем исследовании, проведенном специалистами из Института генетики и биологии развития при Китайской академии наук, были обнаружены аргументы, касающиеся адаптации риса к холоду в ходе его расширения на север. Результаты исследования увидели свет в научном издании Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2025.04.036
Под руководством профессора Цао Сяофэна команда ученых представила доказательства того, что метилирование ДНК – это форма эпигенетического изменения или воздействия на экспрессию генов, которая играет ключевую роль в трансгенерационной передаче приобретенной способности сопротивляться холоду у риса, что подтверждает идеи Ламарка.
Исследователи проследили эволюционную траекторию распространения риса на север, в более холодные районы, в рамках данного исследования.
С применением новаторской системы скрининга для многих поколений, нацеленной на показательные стадии развития риса, чувствительные к холоду, они проделали направленную работу в течение трех поколений, чтобы выделить и развести растения риса, которые лучше переносили холодные условия.
Этот подход позволил создать стабильные линии риса с улучшенной способностью переносить холод, обусловленные признаками, являющимися доминирующими в моделях наследования. Показано, что эта устойчивость сохраняется как минимум в течение пяти поколений, даже после прекращения стресса.
Многоуровневый анализ выявил гипометилирование в промоторе ACT1 (гена, кодирующего арабиногалактан), как существенное эпигенетическое изменение.
Ученые применили систему редактирования метилирования ДНК для точной модификации метилирования промотора гена ACT1 арабиногалактана. Это привело к целенаправленному регулированию толерантности к холоду и подтверждению того, что гипометилирование в промоторе, вызванное холодом, обеспечивает активацию ACT1, подтверждая роль эпигенетических изменений.
Далее исследователи изучили молекулярную основу этой эпигенетической регуляции, выявив подлежащий ей механизм. Они показали, что холодовой стресс снижает экспрессию метилтрансферазы МЕТ1b, нарушая сохранение метилирования в промоторе ACT1, что приводит к образованию гипометилированного эпиаллеля.
Дополнительные исследования показали, что область изменчивости метилирования промотора ACT1 содержит сайт связывания для активатора транскрипции Dof1, чувствительность которого зависит от статуса метилирования ДНК. Обезвреживание Dof1 значительно уменьшает толерантность к холоду на стадии выращивания, устанавливая цепочку регуляции холодового стресса → снижение регуляции МЕТ1b → деметилирование промотора ACT1 → укрепление связывания Dof1 → активация ACT1 → увеличение толерантности к холоду.
Исследование естественных вариаций показало, что, несмотря на то, что кодирующие последовательности ACT1 были очень консервативными, статус метилирования ДНК демонстрировал полиморфизм, тесно связанный с устойчивостью к холоду.
Среди 131 местного сорта риса из трех основных регионов его выращивания в Китае, более 88% сортов из южных и центральных регионов имели гиперметилированный ACT1, в то время как сорта из холодного северо-восточного региона значительно отличались гипометилированным ACT1.
Такой градиент метилирования "с юга - высокий, на севере - низкий" указывает на то, что эпигенетическое изменение ACT1 было центральной целью отбора во время одомашнивания риса и его географического распространения.
Анализируя роль вызванных холодом эпигенетических изменений в адаптации риса, данное исследование не только поясняет молекулярный механизм быстрой адаптации к окружающей среде, но и предоставляет убедительную поддержку альтернативным теориям наследования, долгое время малоучитываемым в рамках основной эволюционной биологии.
Рецензенты приветствовали работу, отметив: "Это важно для понимания адаптивных процессов и указывает на механизмы, не вписывающиеся в традиционную дарвиновскую парадигму".
Помимо теоретических выводов, данное исследование также предлагает практические рекомендации по улучшению сельскохозяйственных культур. Ученые выдвигают новую стратегию селекции - "стрессовая диагностика → идентификация эпигенетических вариантов → точное редактирование" - для создания стрессоустойчивых сельскохозяйственных культур. Этот подход представляет собой многообещающий путь к решению сельскохозяйственных проблем, вызванных изменением климата.
