Новый метод картирования генетических «переключателей» поможет создать устойчивые к климату сельскохозяйственные культуры

Иллюстрация нового метода анализа. Тракторы символизируют транскрипционные факторы — белки, которые связываются с генетическими «переключателями» для активации или деактивации генов. Метод сравнивает генетический материал двух родительских растений с разными признаками (разный размер), внутри гибридного растения. Это позволяет определить, приводит ли изменение в последовательности «переключателя» (оранжевые блоки) к усилению или ослаблению связывания транскрипционных факторов, изменяя признаки. Автор: HHU/Анди Кур (лицензия BY-NC-SA)

Естественная генетическая вариация в геноме обеспечивает биоразнообразие и движет эволюцией. Однако, поскольку естественные эволюционные процессы требуют тысячелетий, мы не можем ждать, пока сельскохозяйственные культуры адаптируются к стремительно меняющимся климатическим условиям. Чтобы обеспечить глобальную продовольственную безопасность, учёные должны ускорить поиск подходящих природных вариантов ДНК для улучшения устойчивости растений к стрессовым условиям.

Группа исследователей под руководством доктора Томаса Хартвига и доктора Юлии Энгельхорн из Института молекулярной физиологии при Генрих-Гейне-Университете (HHU) и Института Макса Планка (MPIPZ) представила новый эффективный метод картирования генетических «переключателей» растений в статье, опубликованной в журнале Nature Genetics. Эти небольшие участки генома, не являющиеся самими генами, определяют, когда, где и в какой степени ген активен. Их можно сравнить с диммером, регулирующим яркость лампы.

Если раньше исследования в основном фокусировались на самих генах, новое исследование показывает, что ключевые различия между растениями — например, в размере или устойчивости к болезням и стрессу — часто определяются не генами, а именно этими регуляторными переключателями. Однако традиционно не только сложно точно определить местоположение этих участков, но и понять, какие изменения играют решающую роль. Благодаря новому масштабируемому методу картирования, разработанному в рамках проекта, ситуация меняется.

Учёные проанализировали 25 различных гибридов кукурузы — скрещенных между собой сортов — и выявили более 200 000 участков генома, где естественные вариации влияют на регуляторные переключатели.

«Хотя эти регуляторные переключатели составляют менее 1% генома, их вариации часто объясняют значительную долю наследуемых различий признаков — иногда превышая половину», — говорит Юлия Энгельхорн, ведущий автор исследования.

«Понимание работы этих переключателей даёт мощный инструмент для повышения устойчивости и урожайности сельскохозяйственных культур, закладывая основу для более эффективной селекции в будущем», — добавляет Томас Хартвиг, автор-корреспондент исследования.

Количественный анализ связывания цис-элементов в гибридах F1. Автор: Nature Genetics (2025). DOI: 10.1038/s41588-025-02246-7

Исследователи применили свой метод к признакам, связанным с засухоустойчивостью, и выявили более 3500 регуляторных переключателей и связанных с ними генов, через которые растения реагируют на недостаток воды.

«Наш подход позволяет напрямую сравнивать различия в вариантах переключателей, унаследованных от материнской и отцовской линий, в одном эксперименте. Мы можем предложить научному сообществу, изучающему кукурузу, базу данных из более чем 3500 регуляторных участков, связанных с засухой, открывая новые возможности для точной настройки экспрессии генов и повышения устойчивости растений», — объясняет Энгельхорн.

«Точность этого картирования позволяет нам изучать естественные различия в переключателях, чтобы понять, как они работают, а затем целенаправленно изменять их для создания растений с улучшенными признаками», — отмечает Хартвиг.

Исследование проводилось в сотрудничестве с командой из Калифорнийского университета в Дэвисе, в которую входит доктор Саманта Снодграсс. Соавтор исследования подчёркивает смену парадигмы, связанную с новым подходом:

«Несмотря на десятилетия успешных исследований, большая часть генома — участки вне генов — остаётся “чёрным ящиком”. Этот новый метод приоткрывает завесу и позволяет определить функцию некодирующих областей, предоставляя биологам и селекционерам новые точные цели для исследований и разработок».

Исследование проводилось в рамках кластера передовых исследований CEPLAS в области наук о растениях в HHU и MPIPZ.

Дополнительная информация: Julia Engelhorn et al, Genetic variation at transcription factor binding sites largely explains phenotypic heritability in maize, Nature Genetics (2025). DOI: 10.1038/s41588-025-02246-7