Новые вызовы из-за изменения климата
С потеплением климата учёные по всему миру работают над созданием более устойчивых сортов сельскохозяйственных культур. Одной из таких команд является группа из лаборатории Cold Spring Harbor (CSHL), которая исследует генетику растений. Но задача не из лёгких: многие важные для растений характеристики, такие как размер или устойчивость к засухе, зависят от множества связанных генов.
Так называемые "избыточные гены" (гены с перекрывающимися функциями) делают процесс селекции похожим на сложный поиск иголки в стоге сена. Постдокторский исследователь Якопо Джентиле из лаборатории Зака Липпмана в CSHL отмечает, что избыточность и сложность эволюции генов ограничивают возможности улучшения культур.
140 миллионов лет эволюции под микроскопом
Чтобы решить эту проблему, команда учёных изучила эволюционную историю одной из ключевых групп генов у цветковых растений, проследив её изменения за последние 140 миллионов лет. Используя полученные данные, они обучили модели ИИ определять закономерности избыточности и предсказывать, какие гены следует редактировать для изменения конкретных характеристик.
"Когда один ген дублируется, возникает два. Что происходит дальше? Теория говорит, что они начинают расходиться. Но как именно это происходит, остаётся большим вопросом," — пояснил Джентиле.
Фокус на генах CLE
Исследователи сосредоточились на изучении семейства генов CLE, которые регулируют сигналы клеток и развитие растений. Эти гены широко распространены в растительном мире, но их функции до сих пор остаются загадкой. Они короткие, быстро эволюционируют и часто выполняют перекрывающиеся функции, что усложняет их изучение.
С помощью ИИ команда обнаружила тысячи новых генов CLE среди 1 000 видов растений. Затем они использовали вычислительные модели для выявления случаев избыточности. Оказалось, что в большинстве случаев "избыточные" гены имеют сходства либо в пептидах, которые они кодируют, либо в промоторах — ДНК-участках, регулирующих работу гена.
Проверка на томатах
Чтобы проверить свои гипотезы, учёные применили технологию CRISPR для редактирования генов в томатах. Удаление одного из избыточных генов почти не влияло на растение. Однако, когда были отключены сразу все избыточные гены, растения демонстрировали заметные изменения.
"Это первый случай в исследовании томатов, когда одновременно редактировалось так много генов," — отметил Джентиле. Всего они нацелились на 10 генов.
Выводы и перспективы
Команда обнаружила, что большинство избыточных генов имеют схожие промоторы, даже если их пептидные последовательности отличаются. Этот подход позволяет не только находить избыточные гены, но и предсказывать, приведут ли мутации в них к полезным, вредным или нейтральным изменениям.
Джентиле подчеркнул, что методика может быть легко масштабирована на любые семейства генов, а не только CLE. Это открывает перед селекционерами новые возможности для более точного редактирования генов и улучшения сельскохозяйственных культур.
