Метилирование ДНК: создание устойчивого к стрессу будущего сельскохозяйственных культур

На протяжении всей своей жизни растения ежедневно ведут тихий диалог с окружающей средой.В отличие от животных, которые могут бежать от неблагоприятных условий., эти сидячие организмы эволюционировали, чтобы запоминать прошлые невзгоды и перестраивать свою физиологию, чтобы справиться с предстоящим стрессом.Большая часть этой способности к адаптации происходит от невидимой химической модификации: метилирование ДНК.

Проще говоря, метилирование ДНК относится к химическому добавлению метильной группы (-CH3) к остаткам цитозина (С) или аденоина (А) на нитках ДНК.Эта модификация не изменяет основную нуклеотидную последовательность ДНК, но диктует переключатель экспрессии генов.

Визуализируйте весь геном как огромное руководство по жизни, с метилированием ДНК, действующим как подчеркивающие аннотации на его страницах.В то время как другие выделяют конкретные сегменты для повышения транскрипционной активацииОпираясь на эти эпигенетические теги, растения динамически настраивают чтение генов на различных стадиях развития и в изменяющихся условиях окружающей среды, избирательно включая или выключая гены по мере необходимости.Два основных варианта метилирования были широко описаны в исследованиях растений.:

• 5-метилцитозин (5-mC): самый хорошо изученный канонический эпигенетический маркер, образованный при присоединении метиловой частицы к пятому атому углерода цитозина.CHG и CHH метилирование (H означает AЕго биологические функции различаются в зависимости от местоположения генома: метилирование в областях продвижения генов обычно подавляет транскрипцию, чтобы заставить гены молчать.В то время как метилирование геновых тел в кодирующих последовательностях в основном коррелирует с устойчивым, стабильная экспрессия генов.

• N6-метиладенин (6-mA): возникающий эпигенетический признак, вызывающий все больший интерес в исследованиях.хотя присутствует в относительно низкой геномической обильностиЕе всеобъемлющая регуляторная сеть находится под постоянной проверкой, и исследователи сохраняют осторожный оптимизм относительно функционального спектра.

Профили метилирования не являются статическими; сложная ферментативная машина-записыватель-удалватель организует обратимую эпигенетическую ремоделирование для поддержания эпигеномного равновесия в растениях.

ДНК-метилтрансферазы, включая MET1, CMT3 и DRM2, служат эпигенетическими писарями.Путь метилирования ДНК с использованием РНК (RdDM) занимает ключевое место в этом процессе: небольшие интерферентные РНК (siRNA) действуют как навигаторы для направления нацеленного осаждения метилирования, особенно критически важного для замалчивания транспозонов - инвазивных геномных паразитов.

ДНК-деметилазы, такие как ROS1 и DME, функционируют как молекулярные стержни, которые удаляют уже существующие метиловые группы для реактивации заглушенных генов.ROS1содержит уникальную последовательность мониторинга метилирования (MEMS), действующую как молекулярный термостат, определяющий глобальные уровни метилирования генома.Повышенное метилирование по всему геному вызывает изменение состояния метилирования в регионе MEMS, что, в свою очередь, повышает регулированиеROS1транскрипция для инициирования деметилирования и сдерживания чрезмерного метилирования; обратная обратная связь происходит, когда общая метилировка падает.Эта специфическая для растения обратная связь необходима для сохранения эпигеномной стабильности.

Метилирование ДНК регулирует почти все аспекты жизненных циклов растений:

Транспозоны, или прыгающие гены, являются разрушительными геномными элементами, склонными к случайным вставкам, которые могут нарушать нетронутые функциональные гены.Плотное отложение метилирования через локусы транспозонов запечатывает эти мобильные генетические элементы, чтобы блокировать их транскрипционную активность, обеспечивая целостность и стабильность генома.

Дифференциальное метилирование и деметилирование регулируют образование семян и созревание плодов.Активная деметилация у промоторов генов, связанных с созреванием, стимулирует каскад созревания в томатахГеномический импринтинг возникает в результате дифференциальной метилирования в эндосперме, обеспечивающей временную экспрессию материнских и отцовских аллелей во время развития семян.

АрабидопсисFWAВ диких соматических клетках металирование тяжелых промоторов поддерживаетFWAтранскрипционно подавлен; спонтанное деметилирование в эндосперме или индуцированное деметилирование через мутацию приводит к внематочнойFWAэкспрессия и последующее позднее цветение, проверяя метилируемое блокирование времени развития.

Это одна из самых захватывающих функций метилирования ДНК. При воздействии абиотических стрессов (сухость, соленость, экстремальные температуры) или биотических угроз (патогены, вирусы),растения перестраивают специфические для места метилирования ландшафты для организации стрессоустойчивых генных сетей.

• Краткосрочная стрессовая память: Часть сигнатур метилирования, вызванных стрессом, сохраняется после отмены стресса, готовя растения к более быстрой и сильной оборонительной реакции на повторяющиеся проблемы.Растения, подверженные засухе, преобразуют метилирование в регуляторных генах стоматозов, что позволяет быстрее закрыть стомат и уменьшить потерю воды во время последующих засухи.
• Мемория стресса между поколениямиИнтересно, что избранные эпигенетические изменения, вызванные стрессом, могут передаваться через гаметы потомству, придавая неотъемлемую стрессоустойчивость у потомства, не испытывающего стресса.крупномасштабная эпигеномная перепрограммировка происходит во время полового размножения растенийПодобная трансгенерационная эпигенетическая наследственность является локально-специфической и нестабильной, представляя собой ключевую исследовательскую границу в сельскохозяйственной эпигенетике.

Новейшие исследования показывают, что 6-mA является быстрым динамическим эпигенетическим сигналом, способствующим адаптации к окружающей среде.Термотолерантные сорта проявляют повышенные уровни 6-mA в геновах транскрипционного фактора теплового шока, наряду с уменьшенным 6- мА обилиемHSP70Этот скоординированный сдвиг синергетически повышает базальную термотолерантность.

Раскрытие эпигенетического языка метилирования ДНК дает исследователям новые инструменты для общения и адаптации агрономических черт культур.

Традиционные цели селекции растений - полиморфизм нуклеотидной последовательности,В то время как современные эпигенетические селекционные экраны передают наследственные эпимаркеры, тесно связанные с элитными агрономическими признаками, включая устойчивость к засухе., устойчивость к болезням, высокий урожай и превосходное качество зерна.и трансмиссивные эпиаллелы служат неоценимыми новыми вариационными ресурсами для культур с ограниченным естественным генетическим разнообразием.

Представитель революционного прорыва, целенаправленная эпигенетическая модификация обходит постоянное изменение естественных последовательностей ДНК.Проектированные системы CRISPR-dCas9 доставляют слияние доменов эффектора метилтрансферазы или деметилазы на заранее определенные геномические участки:

• Фьюзировать dCas9 с метилтрансферазами для депонирования промотора метилирования и подавления нежелательных генов;
• Фьюзировать dCas9 с каталитическими доменами деметилаз, таких как ROS1, чтобы стереть ингибиторный промотор метилирования и разблокировать спящие гены резистентности к болезням.Редактирование на конкретном участке открывает беспрецедентные возможности для улучшения урожая без внедрения мутаций ДНК.

В условиях ухудшения климатических изменений в мире существует настоящий спрос на сорта сельскохозяйственных культур, устойчивые к изменению климата.Встроенные программы памяти эпигенетического стресса, обнаруженные в ходе исследований метилирования, позволяют использовать их в сельском хозяйстве.:

1. Усиление эндогенной памяти эпигенетического стресса для развития культур с повышенной терпимостью к засухе, соли и теплу;
2. Проектировать превентивную эпигенетическую подготовку для предварительной активации защитных путей растений до наступления стресса;
3. Имплантируйте легкую устойчивость к стрессу в эпигеномы семян через трансгенерационное эпигенетическое наследие, чтобы передать адаптивные черты последующим поколениям.

Прогресс в исследованиях метилирования ДНК изменил фундаментальное понимание биологии растений и улучшения урожая.динамический регуляторный ландшафт независимо от первичных последовательностей ДНКОт стабилизации генома и программирования развития до запоминания стрессов окружающей среды и трансгенерационного наследования признаков.Метилирование функционирует как подробное руководство по выживанию на протяжении всей жизни, вписанное вне канонического генетического кода..

Сочетание эпигенетических знаний с усовершенствованными системами разведения и целенаправленными технологиями редактирования эпигенома будет способствовать инновационной новой зеленой революции, определяемой более высокой точностью,Интеллект и устойчивость сельского хозяйства.

Кумар С. и Мохапатра Т. (2021) Динамика метилирования ДНК и его функции в росте и развитии растений.596236- 10 3389/фпл.2021.596236