Сложная регуляция фенотипа томатов

Изучение цис-регуляторных элементов необходимо для понимания того, как генотип влияет на фенотип. Вопрос, влияют ли они на фенотип и если да, то в какой степени, остается открытым. Ученые из США использовали CRISPR-Cas9-систему для анализа цис-регуляторных элементов двух генов, отвечающих за пролиферацию стволовых клеток и размер плода томата (Solanum lycopersicum).

Ген CLAVATA3 (CLV3) кодирует небольшой сигнальный белок, который ингибирует пролиферацию стволовых клеток в апикальных меристемах побегов. Потеря CLV3 у томата ведет к образованию большего числа камер с семенами (локул) и увеличению плода. С помощью системы CRISPR ученые создали 29 аллелей промотора CLV3, а также исследовали природную мутацию этого гена fasciated. Аллели включали крупные делеции, инверсии и небольшие инделы в таргетной последовательности. Делеции в проксимальном районе обычно увеличивали число локул на 1­–3, а в дистальном или в дистальном и проксимальном одновременно — в среднем на 6,1. Полная делеция гена увеличивала число локул в среднем на 15,8.

При анализе промоторов CLV3 томата и родственных видов идентифицировали несколько консервативных некодирующих последовательностей (R1–4). Удаление любой из них с помощью системы CRISPR не приводило к значительному изменению фенотипа. Однако одновременное нарушение последовательностей R1 и R4, например, значительно увеличивало число локул, причем некоторые комбинированные аллели имели синергический эффект.

Второй изученный ген WUSCHEL (WUS) способствует пролиферации стволовых клеток. Его потеря у резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) ведет к преждевременной остановке роста главного побега во время эмбриогенеза. Ученые создали два аллеля со смещением рамки считывания в гене WUS томата. Как и у резуховидки Таля, это преждевременно прекратило рост главного побега. С помощью CRISPR-Cas9-системы провели мутагенез регуляторного участка этого гена, который содержит четыре консервативные некодирующие последовательности. Аллели с делециями трех таких регионов или перестройкой проксимальных регионов производили такой же фенотип, как и потеря гена. Растения с менее радикальными перестройками промотора были визуально неотличимы от растений дикого типа. Этот результат показал, что промотор гена томата WUS менее чувствителен к мутациям, чем промотор CLV3.

Таким образом, в промоторах находится множество функциональных компонентов, представленных консервативными последовательностями и их взаимодействиями. Связь цис-регуляторных элементов и количественных фенотипических признаков очень сложна. Существует предположение, что у промоторов и других цис-регуляторных элементов есть некая «буферная емкость», которая защищает их от влияния генетических нарушений. Сложность регуляции отличается у разных генов растений. Но без понимания регуляции невозможно направленно улучшать фенотипические признаки культур. Большую роль здесь может сыграть изучение консервативных некодирующих последовательностей.

По словам Зака Липпмана, профессора Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза: «Настоящий Святой Грааль растениеводства — это предсказуемость. Если я вношу мутацию в эту последовательность, я получу этот эффект. На деле есть море других вариантов, которые природа накопила вокруг вашей мутации и по всему геному, и они могут влиять на внесенную вами мутацию».