Każde pokolenie roślin powstaje dzięki naturalnemu „tasowaniu” materiału genetycznego. To właśnie ono decyduje o tym, jakie kombinacje cech mogą pojawić się u potomstwa. Zespół z Instytutu Biologii Molekularnej i Biotechnologii UAM pokazał, że ten proces można lokalnie modyfikować, kierując odpowiednie regulatory stanu chromatyny do miejsc szczególnie aktywnych rekombinacyjnie. Wyniki, opublikowane w Science Advances, otwierają nowe perspektywy dla badań nad dziedziczeniem i hodowlą roślin.
Rekombinacja mejotyczna to jeden z najważniejszych mechanizmów tworzenia różnorodności genetycznej. W czasie powstawania komórek rozrodczych chromosomy pochodzące od obojga rodziców wymieniają między sobą fragmenty DNA. Takie wymiany, zwane rekombinacją crossing-over, prowadzą do powstawania nowych układów genów. Dla ewolucji to motor zmian, a dla hodowli roślin – jedno z najważniejszych narzędzi pozwalających łączyć korzystne cechy w nowych odmianach.
Problem polega na tym, że crossing-over nie zachodzi w genomie równomiernie. Są miejsca, w których pojawia się często, oraz takie, gdzie występuje rzadko lub niemal wcale. Te pierwsze nazywamy hotspotami rekombinacji. Od lat wiadomo, że ich aktywność jest związana ze stanem chromatyny, czyli sposobem upakowania DNA i obecnością określonych modyfikacji histonów. Do tej pory zależność ta była jednak opisywana głównie na podstawie korelacji. Badacze z zespołu prof. Ziółkowskiego, Maja Szymańska-Lejman i Wojtek Dzięgielewski, postawili więc pytanie: czy da się bezpośrednio zmienić aktywność hotspotu, jeśli celowo dostarczymy do niego białka wpływające na chromatynę?
Aby to sprawdzić, zespół wykorzystał modelową roślinę – Arabidopsis thaliana – oraz narzędzia oparte na zmodyfikowanym systemie CRISPR/Cas9 pozwalające kierować wybrane czynniki dokładnie do określonych miejsc w genomie. Celem były hotspoty crossing-over, a „ładunkiem” różne regulatory chromatyny. Dzięki temu można było przetestować, czy lokalna zmiana środowiska chromatynowego przekłada się na zmianę częstości rekombinacji.
Najsilniejszy efekt zaobserwowano po nakierowaniu demetylazy JMJ14 do hotspotu rekominacyjnego. To białko obniżyło lokalny poziom znacznika chromatynowego H3K4me3, co wiązało się z przejściem chromatyny w bardziej zamknięty, silniej upakowany stan, a w konsekwencji ze zmniejszeniem częstości crossing-over w badanym odcinku. Co ważne, podobny efekt obserwowano również kierując JMJ14 do innych miejsc na chromosomie, co wskazuje, że zjawisko nie było jedynie lokalną cechą pojedynczego hotspotu. Innymi słowy: badacze pokazali, że aktywność rekombinacyjna może zależeć od precyzyjnie kształtowanego stanu chromatyny w danym miejscu genomu.
To ważny wynik z kilku powodów. Po pierwsze, daje mocny dowód na to, że modyfikacje chromatyny nie są tylko „śladem” aktywnych hotspotów, lecz mogą realnie wpływać na ich działanie. Po drugie, pokazuje, że rekombinację można badać i zmieniać nie tylko globalnie, ale też bardzo lokalnie – na poziomie konkretnych fragmentów genomu. Po trzecie wreszcie, otwiera drogę do przyszłych strategii bardziej świadomego kształtowania rekombinacji w genomach roślin użytkowych.
Nie oznacza to jeszcze, że hodowcy dostali gotowe narzędzie do projektowania nowych odmian „na zamówienie”. Droga od badań podstawowych w modelowej roślinie do praktycznych zastosowań w uprawach jest długa. Mimo to praca zespołu z IBMiB pokazuje wyraźnie, że sterowanie rekombinacją nie musi być już tylko teorią. Coraz lepiej rozumiemy, jak genom „decyduje”, gdzie dochodzi do wymiany odcinków DNA – i jak tę decyzję można próbować lokalnie zmienić.
To przykład badań podstawowych, które odpowiadają na bardzo konkretne pytania o działanie genomu, a zarazem mogą w przyszłości przełożyć się na praktykę hodowlaną. Im lepiej nauczymy się kierować naturalnym tasowaniem genów, tym większa szansa, że skuteczniej będziemy łączyć pożądane cechy roślin, takie jak odporność na stres, choroby czy lepsze parametry plonowania.
Artykuł: M. Szymanska-Lejman, W. Dziegielewski, A. Wilhelm, K. Hus, P.A. Ziolkowski, Modifying meiotic recombination by targeting chromatin regulators to crossover hotspots in Arabidopsis, Science Advances 12, eaeb2890, 2026. DOI:10.1126/sciadv.aeb2890