Открытие 3D-петель ДНК в рисе открывает путь к повышению урожайности с меньшим количеством удобрений

Повышение устойчивой урожайности «Зеленой революции» через экструзию хроматиновых петель, регулирующую транскрипцию RCN2. Автор: IGDB

Команда китайских ученых обнаружила скрытую 3D-структуру в ДНК риса, которая позволяет культуре давать больше зерна при использовании меньшего количества азотных удобрений. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Genetics исследователями из Китайской академии наук (CAS), может направить следующую «зеленую революцию» в сторону более высоких урожаев и устойчивого земледелия.

Исследование показывает, что петлевой участок ДНК — «хроматиновая петля» — контролирует активность гена под названием RCN2, который управляет тем, как растения риса формируют свои зерносодержащие ветви. Регулирование этой петли повысило как урожайность, так и эффективность использования азота (NUE) — два признака, которые обычно конфликтуют друг с другом.

По словам профессора Фу Сяндуна из Института генетики и биологии развития CAS, руководившего командой, повышение урожайности сельскохозяйственных культур зависит от усиления как «источника», так и «стока» внутри растения. Источник относится к тканям, таким как листья, которые производят и высвобождают сахара в процессе фотосинтеза, в то время как сток включает растущие части — зерна, метелки, молодые листья, стебли, корни и плоды — которые накапливают или потребляют эти сахара. Одновременное улучшение обеих сторон этой системы необходимо для увеличения урожайности и NUE.

Чтобы выяснить, как происходит эта координация, исследователи идентифицировали крупный генетический регион, или локус количественного признака, под названием qINCA2. Этот локус влияет на фотосинтез, усвоение азота и количество зерен — три ключевых признака продуктивности. Внутри этого региона исследователи определили однонуклеотидный полиморфизм (SNP), расположенный в 8765 парах оснований выше по течению от гена, известного как RCN2, который играет ключевую роль в том, как рис формирует свои зерносодержащие ветви, или соцветия.

Это крошечное изменение ДНК резко увеличило активность RCN2. Белок RCN2 затем изменил то, как взаимодействуют две другие молекулы — OsSPL14 и DELLA. Ослабляя их связь, RCN2 эффективно высвобождал транскрипционный фактор OsSPL14, чтобы включить гены, ответственные за метаболизм углерода и азота и развитие метелки. Эта цепная реакция позволила растениям риса производить больше зерен и использовать азот более эффективно — две цели, которые обычно противоречат друг другу.

Затем команда обратилась к более глубокому вопросу: Как SNP вызывает такой сильный эффект на экспрессию гена? Их исследование показало, что регион, содержащий SNP, также несет серию тандемных повторов ДНК — мотивы CCCTC — известные у животных как якоря для 3D-петель в хроматине, плотно упакованной форме ДНК. У млекопитающих такие петли контролируются белком под названием CTCF, но растительный эквивалент никогда не был подтвержден.

Группа Фу идентифицировала OsYY1 как первый растительный белок, действующий таким образом. OsYY1 связывается с богатыми CCCTC последовательностями ДНК рядом с RCN2 и способствует экструзии хроматиновых петель, изменяя трехмерную архитектуру генома. Этот механизм петлеобразования определяет, включен или выключен RCN2, путем сближения удаленных контрольных элементов с его промоторной областью.

Точно редактируя эти регуляторные последовательности ДНК, исследователи смогли тонко настроить хроматиновое петлеобразование в сайте RCN2. Результатом стало усиление потока углеродных соединений от тканей-источников к развивающимся зернам — стокам — что привело к более высокому индексу урожая (HI), большей урожайности и лучшей NUE даже в условиях низкого содержания азота.

Это открытие представляет экструзию хроматиновых петель как новый механизм для улучшения сельскохозяйственных культур. Помимо непосредственных последствий для риса, оно открывает двери для стратегий селекции следующего поколения, которые могут помочь накормить растущее глобальное население с меньшими экологическими затратами.

Больше информации: Precise control of chromatin loop extrusion enhances sustainable green revolution yield in rice, Nature Genetics (2025). DOI: 10.1038/s41588-025-02376-y.

Источник: Chinese Academy of Sciences

Интересный факт: Исследования в области генетики растений активно развиваются. Например, в 2024 году ученые из Японии представили сорт риса, способный расти в условиях повышенной солености почвы, что особенно актуально в связи с изменением климата и подтоплением прибрежных сельскохозяйственных угодий.