После прививки привой и подвой шлют друг другу огромное количество молекулярных «писем», которые по-новому настраивают активность растительных генов.
Прививку в садоводстве используют не одну тысячу лет: уже в древнем Китае люди знали, что если к стеблю или стволу одного растения (подвой) привить побег другого растения (привой), то можно получить дерево или куст с новыми, лучшими свойствами, чем у подвоя и привоя по отдельности. То есть если культурный сорт, у которого, например, вкусные плоды, но который неустойчив к болезням, привить к дикому, у которого плоды невкусные, но который устойчив к инфекциям и климатическим неприятностям, то потом побеги с такого гибрида будут объединять в себе экологическую неприхотливость с вкусными плодами. В таком виде всё выглядит просто, но на самом деле прививка – довольно сложный процесс, сродни искусству. И мы до сих пор не вполне понимаем, как, собственно, получается так, что признаки разных растений объединяются после прививки.
Можно предположить – что будет, наверно, единственным разумным предположением – что генетический материал привоя и подвоя влияют друг на друга. Гены зашифрованы в ДНК, но сама ДНК между растениями не бегает, роль агента влияния выполняют особые регуляторные молекулы РНК. Как показали в своих экспериментах исследователи из Института биологических исследований Солка, небольшие молекулы РНК приходят из привоя в подвой (и обратно), стимулируя метилирование некоторых участков ДНК, после чего эти участки делаются неактивными. Всё описанное называется эпигенетической регуляцией генетической активности, и здесь, пожалуй, следует напомнить, в чём смысле метилирования и что такое регуляторные РНК.
Когда к азотистым основаниям, из которых состоит ДНК, специальными ферментами присоединяются химические метильные группы, то такое место оказывается недоступным для других белков, которые считывают с ДНК генетическую информацию и синтезируют на ней информационную РНК – молекулу-посредника, на которой происходит синтез белка. (Соответственно, деметилирование приводит к противоположному результату – к активации гена.) Что же до регуляторных РНК, то они тоже синтезируются на своих участках ДНК, но в них нет никакой информации о белковых молекулах. Зато такие РНК могут управлять активностью других генов, и один из способов вмешательства в генетическую активность – сотрудничество с аппаратом метилирования: регуляторные малые РНК показывают ему, какой участок ДНК нужно отключить. Все эти эпигенетические процессы (то есть происходящие поверх собственно генетической информации) используются живыми организмами чрезвычайно широко, и вот, как оказалось, взаимоотношения привоя и подвоя без них тоже не обходятся.
В ранних экспериментах удалось показать, что влияние регуляторных РНК от привоя проявляется на трёх взятых для примера участках ДНК подвоя. Новую серию опытов Джозеф Экер (Joseph R. Ecker) и его коллеги затеяли для того, чтобы более-менее количественно оценить масштаб феномена. Исследователи использовали три варианта растений Arabidopsis thaliana: два были обычными дикорастущими разновидностями, а третий – мутант, который не мог синтезировать никаких регуляторных РНК и в котором можно было точно оценить присутствие чужих молекул.
Как пишут авторы работы в PNAS, эпигенетическое влияние при прививке распространялось на тысячи участков ДНК; от растения к растению шёл целый вал молекулярных «писем». Причём большая часть инструкций касалась тех зон генома, где сидели так называемые мобильные генетические элементы – транспозоны. Так называют особые последовательности, обладающие способностью к самокопированию в пределах генома – они распространяются по всей ДНК и могут нарушить работу важных генов, приходя туда, куда их не просят.
Растения, по сравнению с животными, к транспозонам относятся терпимее, переносят их присутствие относительно легко, но и у них мобильные генетические элементы способны дестабилизировать геном и тем самым уменьшить устойчивость к инфекциям, снизить плодовитость и т. д. Так что масса регуляторных РНК, которые, придя на новое место, «натравливают» на транспозонную ДНК метилирующий аппарат и, таким образом, инактивируют транспозоны, оказываются очень кстати. Хотя не исключено, что прививка сопровождается и другими молекулярно-генетическими «бонусами». Остаётся только подивиться, до чего же сложные процессы происходят в растениях во время этой процедуры, которую садоводы и агротехники проделывали с давних времён.
Что же до каких-то характерных внешних проявлений эпигенетического взаимовлияния привоя и подвоя, то сейчас ничего такого заметить не удалось, да и на генетическом уровне крупных изменений не было (если говорить о чём-то, помимо транспозонов). Авторы работы полагают, что причиной тому – небольшая сложность генома A. thaliana, на котором ставили опыты, и что на растениях, более богатых генетически (например, на помидорах), эффект от обмена эпигенетическими письмами будет явно заметен. И, кто знает, может, в будущем, узнав всю молекулярную подноготную прививки, можно будет многократно увеличить её эффективность.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение