Почему зерна ячменя имеют голубую окраску? Загадку гена разгадали ученые Академгородка

На многих культурных растениях сегодня проводят исследования генетического контроля синтеза биоактивных соединений с антиоксидантными свойствами — например, флавоноидов, и в том числе антоцианов — водорастворимых пигментов растений, придающих им голубой цвет.

При попадании в организм человека с пищей данные соединения инактивируют активные формы кислорода, способствуют нормализации липидного обмена, что позволяет снизить риск развития ряда хронических заболеваний.

Ученые заинтересованы в создании пшеницы и ячменя, которые обладали бы этими свойствами, и в связи с этим возникла потребность выяснить, приобретет ли их неокрашенная зерновая культура, если в ее ДНК провести редактирование гена, связанного с голубым цветом зерна. Ученые ИЦИГ СО РАН провели ряд исследований в данном направлении.

Об этом рассказала студентка магистратуры Факультета естественных наук Новосибирского госуниверситета, лаборант Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова и Института цитологии и генетики СО РАН Татьяна Зыкова в своем выступлении «Восстановление функции гена Hv Myc2, контролирующего голубую окраску зерна ячменя, путем его направленной модификации» на 14-й Международной мультиконференции «Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология» (14th International Multiconference «Bioinformatics of Genome Regulation and Structure / Systems Biology» (BGRS/SB), проходившей в Новосибирском государственном университете. Молодая исследовательница работает в составе научной группы в секторе функциональной генетики злаков ИЦИГ СО РАН.

Наша задача состояла в том, чтобы подтвердить взаимосвязь функции гена HvMyc2 с голубой окраской зерновки ячменя. В ходе исследований в окрашенных зерновках был выявлен вариант (аллель) гена, на определенном участке которого отсутствовала вставка одного нуклеотида. В неокрашенных зернах такая вставка была. Компьютерный анализ показал, что именно она нарушает рамку считывания гена, то есть делает его нефункциональным. В таком случае ген HvMyc2 просто не работает. Соответственно, зерна такого растения не получают голубой окраски и не обладают уникальными антиоксидантными свойствами. Однако, как показали наши исследования, в некоторых случаях этот ген все-таки оказывался рабочим, но голубой окраски почему-то не возникало. Поэтому мы решили путем экспериментов проверить, как удаление одного нуклеотида в нефункциональном гене HvMyc2 у сорта ячменя с белым зерном повлияет на его окраску.

• Татьяна Зыкова, студентка магистратуры Факультета естественных наук Новосибирского госуниверситета, лаборант Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова и Института цитологии и генетики СО РАН

С помощью направленного мутагенеза ученые провели исправление рамки считывания гена HvMyc2, в результате им удалось на сортах ячменя с неокрашенными зерновками создать мутантные образцы с удалением одного нуклеотида в гене HvMyc2. Важно, что та же версия данного гена встречается и в окрашенных сортах. Исследователи удалили в неокрашенном ячмене вставку того самого нуклеотида, сделали голубую версию гена и посмотрели, появится ли голубая окраска в зернах неокрашенных сортов.

Изначально исследователи не увидели у мутантных версий растений голубой окраски зерен, поскольку она связана с накоплением антоцианов в алейроновом слое зерна ячменя. Но оболочка этих зерен состоит из множества слоев, и алейроновый слой – не наружный. Над ним находятся еще три — лемма, перикарп и оболочка. Поэтому разница в оттенках зерен, подвергшихся изменениям, и зерен из контрольной группы растений визуально не была заметна. Она стала очевидной, когда ученые вручную с помощью пинцета сняли три верхних оболочки и под микроскопом осмотрели алейроновый слой зерен растений. На них были явно видны голубые точки, что свидетельствовало о накоплении антоцианов. На неокрашенных зернах, у которых ген HvMyc2 не был изменен, таких точек не оказалось.

Из этого факта можно сделать вывод, что существует явная связь между голубой окраской зерна и функцией данного гена, и спровоцированная нами мутация действительно приводит к тому, что запускается синтез антоцианов и их накопление у ячменя, зерно которого было не окрашено. В данном исследовании была продемонстрирована возможность использования технологии генного редактирования для повышения питательной ценности зерен ячменя за счет увеличения содержания антоцианов. Это позволит создавать зерновые культуры, обогащенные полезными для здоровья человека биологически активными соединениями.

• Татьяна Зыкова

Фото: ИЦИГ СО РАН