Пример прикладной работы генетики - она буквально в каждой булке, печенье, в каждой карбонаре, пепперони. Мы вообще мало порой задумываемся, что всего 100 лет назад наши предки банально помирали миллионами, потому что и без того унылые 1000 кг с га, сменялись 300 кг с га и наступал голод.
Казахстан, страна степная и на данном участке истории климат там стал жарче, суше. Встал вопрос о повышении урожайности пшеницы, когда воды мало или вообще по месяцу не бывает. К 2019 году казахастанские селекционеры навыводили 45 сортов озимой пшеницы, с разной генетикой и с разным потенциалом. Озимая лучше подходит для сухого климата, хотя по урожайности может отставать, зато стабильнее даёт урожаи. Осталось прогнать на площадке селекционной и посмотреть результаты.
https://www.mdpi.com/2673-7655/5/6/76 Screening of Winter Wheat Accessions from International Variety Trials for Drought Resistance in Southeastern Kazakhstan
С 2019 по 2022 проводили испытания. Замечу - даже готовые сорта требуют прогонки в течение 3-х лет. Моментально, это только в сказке. Генетика не волшебство, а работа с огромным набором тех же сортов и вариантов как их правильно разводить. Каждый сорт заранее изучили на генотип и составили его карту. В засушливой гонке победили 3 сорта:
BONITO-37/MV10-2000 - 5300 кг с га.
LYMARIVNA - 5600 кг с га. А при нормальных дождях, урожайность 9 000 - 11 000 с га.
OK12D22004-016 - 5200 кг с га.
Для понимания проблемы селекционеров. Тот же сорт LYMARIVNA должен соответствовать ещё куче параметров, помимо засухоустойчивости. Один список болезней пугает. А ещё пшеница не должна легко падать от ветра и дождя, не должна осыпаться при том же ветре и дожде.
Поскольку я ну просто обожаю историю - немедленно "пруф" на урожайности прошлых лет в СССР, скажем 1920 - 1940.
https://istmat.org/node/18493 - Урожай пшеницы и хлебозаготовки 1932 года в Днепропетровской области
Это в 1932 году, он был как раз засушливый. И вот что тогда получалось при засухе. Это Украина в таблице, а что творилось при засухе в Казахстане? Ещё минус 30% от урожайности. Средний урожай озимой при засухе - 500 кг с гектара.
В засушливых условиях сорт 1995 года - СТЕКЛОВИДНАЯ 24, даёт в пределах 20 000 кг с га. При обычных условиях, без полива стекловидная даёт 2600 кг с га. Ну а новые сорта будут давать в два раза больше даже при сильной засухе. Уровень!
Эксперимент проводили в Заилийском Алатау, 48° с.ш., 77° в.д.. Каждый сорт сажали на площадке, в отдельные блоки, с одинаковой почвой, по 3 блока на каждый сорт - по 10 м2. Почвенный покров участка представлен светло-каштановыми среднесуглинистыми почвами с содержанием гумуса (0–30 см) до 3,0%. В почве содержится 0,15% общего азота, 0,21% фосфора и 1,67% калия.
https://www.mdpi.com/2075-4655/9/3/31 Dynamics and Malleability of Plant DNA Methylation During Abiotic Stresses
Главная преграда для выведения сортов реально продуктивных - растение, когда засуха-жара-засоление, реагируют на уровне эпигенетики. И если не анализировать всё время все генотипы, всех сортов, то получатся ямы - вроде высеял сорта, началась засуха, растения дали один урожай. Второй раз сажаешь - урожайность снизилась у тех, кто давал хороший урожай год назад или болезнь какая-то поразила эти сорта. В общем простая селекция уже давно ( с 1920 -х ) не может поймать удачный вариант. Надо и засуху пережить хорошо и на болезни быть устойчивым.
Растения ж бегать не могут, как кабаны. Потому они сотни миллионов лет выживали по принципу - у кого лучше биохимия сыграет, тот и выжил. Эпигенетика это метилирование ДНК ( к некоторым генам цепляются метильные молекулы и замедляют постепенно их работу ), модификация гистонов, малая РНК и ремоделирование хроматина.
Общая суть:
1 - Если есть стресс, например холод, тяжёлые металлы попали, жара, засуха - внутри растения биохимия либо снижает работу некоторых генов, либо усиливает.
2 - Задействуются гены отвечающие за регулирование транспорта ионов, антиоксидантную защиту, гормоны, вторичный метаболизм.
3 - Изменения генов через эпигенетику сохраняются и у самого растения и иногда передаются на несколько поколений растений.
4 - Такие изменения передаются при митотическом делении клеток - это когда само растение растёт, то есть в течение жизни этого растения. Так же иногда отрегулированные гены передаются при мейотическом делении - это уже половое размножение у растений. То есть иногда сама генетика не поменялась, гены в хромосомах на тех же местах, но часть генов работает сильнее, часть слабее, растение по разному теперь реагирует на стрессы и это передаётся по наследству.
5 - Но эта регулировка во многом хаотичная. Все растения разные, как и люди. Буквально каждая хромосома, в каждом растении - чуток отличается, даже если сорт из одной линии. Линия - это когда вырастили семена одного сорта в одних условиях. Почти невозможно предсказать, как изменится метилирование-эпигенетика, регуляция хроматина и так далее у каждого из растений.
6 - В итоге если кто то захочет замутить именно селекцию на основе эпигенетики, столкнётся этой проблемой - нестабильностью результатов на каждом их растений и на каждом новом поколении растений.
7 - Итого - если кто-то в прошлом надеялся тренировками "приучить" растения к засухе, его попытки были обречены. Как и вообще любые тренировки. Эпигенетика это биохимия, но не стабильная, а без конца реагирующая на всё подряд. Её плюс - она даёт выживать сотни миллионов лет подряд всему живому. Стало засушливо? Эпигенетика откалибрует как может потребности в воде. Но тоже самое растение, когда воды станет побольше...правильно, изменится его эпигенетика и растение будет пить больше, есть больше, плодоносить меньше или больше.
8 - Но эти же наблюдения за геномом дают понимание - его надо всегда изучать, у всего что можно. Можно в итоге найти более стабильные наследования эпигенетики, затем за это зацепиться и вместе с этими данными улучшить выведение сортов растений на основе обычной генетики.
Пример того, как эпигенетика реагирует на засуху и жару.
1 - При жаре выше нормы на 10-15 градусов, меняется архитектура хроматина - хроматин в комплексе с ДНК, белками и РНК формирует основу хромосом. В хроматиновом веществе в итоге передаётся информация от нуклеинов к белкам, копирование ДНК молекул и починка биохимических дефектов в ДНК. Так вот при жаре нарушается структура гетерохроматина - это часть хроматина оберегающая ДНК от лишних мутаций. Происходит ацетилирование гистонов - это белки в хроматине, тоже очень важные. ДНК в итоге снижает свою метилированность. Если не снизить-повысить её в таких генах как ROS1 ( снизить ), CMT3 ( повысить ), мутации убьют растение.
Напомню - чем больше метилирование гена, тем слабее он работает, словно регуляция звука на клавишу. В частности такие гены регулируются у резуховидки таля. А те варианты семян-генотипов, у которых так гены не заметилировались - погибают. Нарушенная работа хроматина повышает активность генов ELF7 , DEL2 и BRF3 и во время жары такое растение, вместо замедления роста, пытается активно прорастать и гибнет.
2 - У кукурузы на фоне жары меняется метилирование 325 генов. Эти гены задействованы в восстановлении повреждённых участков ДНК, биосинтезе крахмала, в сборке сплайсосомы, транспорте РНК и метаболизме углерода. В частности 9 генов усиливали сплайсинг, то есть деление РНК.
3 - У тополя симона во время жары меняется работа микро РНК, которые в итоге регулируют гены, отвечающие за обмен липидов и окислительные реакции на стресс.
4 - У хлопка при жаре меняется метилирование 5130 генов - они отвечают за биосинтез гормонов, метаболизм тиамина, глутатиона, тирозина.
5 - Рис в ответ на жару выдаёт меньшие по размеру семена. Эта биохимия - итог подавления ДНК-метилтрансферазы OsCMT3 и усиления работы Fertilization-Independent Endosperm1 ( OsFIE1 ). Семена мельче, но растение в итоге не гибнет зазря, а оставляет следующее поколение.
Общий принцип - при любом типе ухудшения условий, будут меняться настройки тысяч генов. Эти изменения с одно стороны быстрые, меняют растение на несколько поколений и могут сохраняться пока есть данные условия. Но с другой стороны при изменении условий всё либо откатится назад, либо станет вообще другим.
У природы одна стабильность - надо выжить и оставить потомство. Стабильности в понимании человека в природе не существует.
Заодно эти процессы накладывают ограничение на любые манипуляции с ДНК. Вынуть и вставить один ген - это ничто. Гены работают парами, сотнями, тысячами на разные процессы. Смена обмена веществ у хлопка и вот задействованы 5130 генов, а всего у хлопка 40 000 генов и конечно смена работы 5130 генов обязательно повлияет на все остальные 35 000, они тоже будут меняться эпигенетически. Каждый ген, в каждом семени переставить и перенастроить вообще не реально. Единственный рабочий путь - селекция плюс генетика и эпигенетика, анализ генотипов, коррекция селекции сообразно данным генотипов.
Это же пока блокирует любые серьёзные изменения генетики людей. Тот же рак нарушает работы сотен и тысяч генов, исправление даже ста ничего не даст, плюс остальные гены тоже начнут меняться из за влезания в геном. Да плюс гены раскиданы буквально в каждой клетке, каждого организма и просто так запустить размножение нужной клетки, с нужным генотипом пока нерешаемая задача. А вот пихнуть нужные вещества и попробовать запустить "самоотладку" иммунитета - это реально и тоже основано на точном изучении генотипов.