Китайські вчені знайшли докази теорії Ламарка у рису

Китайські науковці з Інституту генетики та біології розвитку Китайської академії наук представили революційне дослідження, яке надає молекулярні докази на підтримку теорії Ламарка — концепції початку дев'ятнадцятого століття про те, що набуті характеристики можуть передаватися у спадок. Результати роботи опубліковані у престижному науковому журналі Cell.

Дослідження під керівництвом професора Цао Сяофена продемонструвало, що метилювання ДНК — форма епігенетичної варіації або зміни експресії генів — опосередковує трансгенераційне успадкування набутої холодостійкості у рису. Це відкриття підтверджує основні положення теорії Ламарка про спадкування набутих ознак.

Вчені простежили еволюційну траєкторію рису під час його поширення на північ у холодніші кліматичні зони. Використовуючи інноваційну багатогенераційну систему скринінгу холодового стресу, що націлена на чутливу до холоду стадію мейозу розвитку рису, дослідники застосували спрямований відбір протягом трьох поколінь. Вони ідентифікували та розмножували ті рослини рису, які найкраще переносили холод.

Такий підхід дозволив отримати стабільні лінії рису зі значно підвищеною холодостійкістю, що керувалася ознаками з домінантними патернами успадкування. Ця толерантність зберігалася принаймні п'ять поколінь навіть після усунення стресових умов.

Мульти-омічні аналізи виявили гіпометилювання промотора гена ACT1, який кодує арабіногалактановий білок, як критичну епігенетичну варіацію. Дослідники використали систему редагування метилювання ДНК для точної модифікації метилювання промотора гена арабіногалактанового білка ACT1. Таким чином вони досягли спрямованої регуляції холодостійкості та підтвердили, що викликане холодом гіпометилювання промотора знімає пригнічення експресії ACT1, доводячи причинну роль епігенетичної варіації.

Щоб розкрити молекулярну основу цієї епігенетичної регуляції, науковці далі досліджували основний механізм. Вони показали, що холодовий стрес знижував експресію ДНК-метилтрансферази MET1b, порушуючи підтримання метилювання промотора ACT1 та призводячи до формування гіпометильованого епіалеля.

Подальше дослідження виявило, що регіон варіації метилювання промотора ACT1 містить сайт зв'язування для транскрипційного активатора Dof1, зайнятість якого чутлива до статусу метилювання ДНК. Нокаут Dof1 значно знизив холодостійкість на стадії колосіння, встановивши регуляторний каскад: холодовий стрес призводить до зниження регуляції MET1b, що спричиняє деметилювання промотора ACT1, посилене зв'язування Dof1, активацію ACT1 та покращену холодостійкість.

Аналіз природної варіації продемонстрував, що хоча кодуючі послідовності ACT1 були високо консервативними, його статус метилювання ДНК виявляв поліморфізм, сильно пов'язаний з холодостійкістю. Серед 131 місцевого сорту з трьох основних регіонів вирощування рису в Китаї більше ніж вісімдесят вісім відсотків сортів з південних та центральних регіонів несли гіперметильований ACT1, тоді як ті з холодного північно-східного регіону були значно збагачені гіпометильованим ACT1.

Цей градієнт метилювання «південь-високий, північ-низький» свідчив про те, що епігенетична варіація ACT1 була ключовою мішенню відбору під час доместикації рису та його географічного поширення.

Систематично з'ясувавши роль викликаної холодом епігенетичної варіації в адаптації рису, це дослідження не лише підтверджує молекулярний механізм швидкої адаптації до навколишнього середовища, але й надає переконливу підтримку теоріям неменделівського успадкування, довго виключеним з основної еволюційної біології.

Рецензенти високо оцінили роботу, заявивши: «Ця можливість має значення для розуміння адаптивних процесів та натякає на механізми, які знаходяться поза традиційною дарвінівською парадигмою».

Окрім теоретичних наслідків, дослідження також представляє практичну основу для покращення сільськогосподарських культур. Дослідники пропонують нову стратегію селекції — «стресова доместикація, ідентифікація епігенетичних варіантів, прецизійне редагування» — для розробки стійких до стресу культур. Цей підхід пропонує перспективний шлях для вирішення сільськогосподарських викликів, спричинених глобальною зміною клімату.

Відкриття має фундаментальне значення для розуміння механізмів еволюції та адаптації. Воно демонструє, що епігенетичні зміни можуть служити швидким механізмом адаптації до змін навколишнього середовища, передаючись наступним поколінням без змін у самій послідовності ДНК.

Результати дослідження відкривають нові горизонти у селекції рослин та можуть мати широке застосування для створення сортів, адаптованих до екстремальних кліматичних умов. Це особливо актуально в контексті глобальних кліматичних змін, коли сільське господарство потребує швидкої адаптації до нових умов вирощування.