Достижения современной биотехнологии напрямую влияют на качество и продуктивность сельского хозяйства, а также открывают новые горизонты в понимании устройства живых организмов. Ярким примером инноваций в этой области стала разработка, выполненная коллективом ученых из ФИЦ Биотехнологии РАН под руководством доктора биологических наук Евгения Короткова при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Внедрение уникального алгоритма поиска повторяющихся участков ДНК в геномах растений позволило раскрыть ранее неизвестные особенности наследственной информации, что создает великолепные перспективы для развития селекции и фундаментального анализа генетических механизмов.
Повторяющиеся фрагменты ДНК: ключ к эволюции и устойчивости растений
Геном практически любого растения насыщен повторяющимися участками ДНК – структурными элементами, которые могут встречаться как непрерывными сегментами, так и быть разбросанными по всему геному. Особенно важную роль играют диспергированные повторы – своеобразные «прыгающие» элементы, или мобильные генетические компоненты. Они способны мигрировать по разным участкам ДНК, изменяя не только структуру наследственного материала, но и активность отдельных генов.
Установление точного положения и количества диспергированных повторов в геноме необходимо для выявления эволюционных изменений, а также для изучения механизмов устойчивости растений к стрессам и заболеваниям. Тем не менее ранее существовавшие методы поиска подобных фрагментов часто не справлялись с задачей, пропуская значимое число участков – особенно в тех случаях, когда последовательности подверглись множеству мутаций, усложняющих их распознавание.
Инновационный IP-метод: революция в анализе геномов растений
Для решения этой актуальной научной задачи специалисты ФИЦ Биотехнологии РАН разработали итеративный метод (IP-метод), который значительно расширил возможности поиска повторов, включая сложные и мутировавшие варианты. Алгоритм основан на применении позиционных весовых матриц – специально созданных математических структур, отражающих вероятностные закономерности распределения нуклеотидов в тех или иных участках ДНК.
Процесс поиска начинается с формирования случайной матрицы, которая затем совершенствуется по мере анализа реальных последовательностей из генома. На каждом этапе те участки, чьи характеристики соответствуют текущей матрице, включаются в последующее усовершенствование алгоритма, что позволяет выявлять все более измененные и редкие повторы. Циклы итераций продолжаются до тех пор, пока не перестанут находиться новые значимые сочетания.
Рекордные результаты при анализе генома риса
Новый подход был апробирован на одном из важнейших сельскохозяйственных растений – рисе (Oryza sativa). С применением IP-метода исследователям удалось идентифицировать почти миллион (992 739) повторяющихся элементов, причисленных к 79 разным семействам. Это на 56% больше, чем позволяет обнаружить традиционный широко используемый алгоритм EDTA, что подтверждает высокую эффективность и чувствительность разработанного инструмента.
Общий объем найденных повторяющихся последовательностей составил впечатляющие 66% генома риса, что существенно превышает данные, полученные ранее альтернативными подходами. Такие результаты открывают новые возможности для глубокого изучения молекулярной организации культурных растений и проведения сопоставительных исследований между различными видами.
Значение открытия для аграрной отрасли и науки
Рис – основная пища для значительной части населения планеты, и любые достижения, связанные с его генетическим усовершенствованием, имеют огромное прикладное значение. По словам Евгения Короткова, понимание точной структуры генома и обнаружение всех разновидностей мобильных элементов ДНК – важнейшее условие для создания новых, более продуктивных сортов, а также для введения полезных генов, повышающих устойчивость к болезням и неблагоприятным условиям.
Новая технология способствует идентификации участков генома, наиболее подходящих для редактирования и внедрения инновационных признаков, что предоставляет уникальные возможности селекционерам и биотехнологам по всему миру. В числе перспективных планов исследовательской команды – расширение спектра анализируемых культурных растений и постоянное повышение точности IP-метода за счет внедрения новых математических моделей.
Открытые базы данных и международное сотрудничество
Одна из ключевых идей проекта, поддержанного Российским научным фондом, – создание общедоступной базы данных обнаруженных диспергированных повторов для различных видов растений. Такой инструмент будет полезен для международного научного сообщества, способствуя запуску новых экспериментальных исследований, обмену достижениями и формированию глобальных коллабораций в области аграрной биотехнологии.
Широкое применение разработанных инструментов ускорит поиск новых путей повышения урожайности и устойчивости основных сельскохозяйственных культур, обеспечивая стабильность и конкурентоспособность агропромышленного комплекса России и всего мира. Оптимистичный взгляд на будущее отмечает, что успехи российских ученых, в частности, усилиями Евгения Короткова и его команды, становятся драйвером научного прогресса и откроют новые пути для решения сложнейших задач, стоящих перед цивилизацией.
План развития: новые горизонты для российских ученых
В дальнейшем коллектив ФИЦ Биотехнологии РАН нацеливается на совершенствование своего метода, расширение его применения и создание инфраструктуры для интеграции данных на мировом уровне. Реализация этих планов поможет не только вывести российские разработки на передовые рубежи, но и даст толчок созданию новых сортов растений, необходимых для обеспечения продовольственной безопасности и биотехнологического прогресса.
Вклад Российского научного фонда в поддержку этого направления подчеркнул значимость фундаментальных исследований и позволил объединить усилия исследователей для достижения прорывных результатов. Благодаря этому Россия уверенно укрепляет свои позиции в числе лидеров по развитию геномных технологий и биотехнологического сектора в целом.
Источник: indicator.ru
