Долговечность семян обозначает их жизнеспособность при длительном хранении, а прорастание и всхожесть имеют решающее значение для выращивания урожая, а значит, и для обеспечения продовольственной и пищевой безопасности. Было идентифицировано несколько белков, которые регулируют жизнеспособность семян, например, те, которые восстанавливают повреждения, а их вариации могут быть конкретным генетическим маркером для селекционеров.
В новом международном исследовании, проведенном под руководством ученых Северо-Западного университета А&F, Китай, в сотрудничестве с коллегами Колледжа сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды имени Мартина-Гаттона при Университете Кентукки, США, раскрывает механизм работы фермента репарации поврежденных белков.
Протеин L-Изоаспартил О-Метилтрансфераза (PROTEIN L-ISOASPARTYL O-METHYLTRANSFERASE (PIMT)) способствует прорастанию и всхожести семян, восстанавливая поврежденные белки. Паттерны экспрессии и субклеточная локализация PIMT различаются у растений. Обычно PIMT1 экспрессируется во всех органах и тканях, тогда как PIMT2 в основном экспрессируется во время дегидратации и созревания семян.
Однако было неизвестно, подверглись ли варианты PIMT отбору во время одомашнивания кукурузы от теосинте. «Несмотря на исследования регуляции экспрессии и субклеточной локализации PIMT, оставалось неизвестным, существуют ли естественные вариации ZmPIMT1 в популяциях кукурузы и подвергались ли аллели отбору во время одомашнивания кукурузы», - поясняют авторы работы.
В своем исследовании ученые сосредоточились на L-изоаспартилметилтрансферазе 1 (ZmPIMT1). Исследование показало, что естественные изменения в регуляторной области гена, кодирующего этот фермент, — области «вкл/выкл» ДНК, которая контролирует количество синтезируемой РНК ZmPIMT1, а затем и белка, — влияют на устойчивость семян кукурузы к старению.
Более того, некоторые линии кукурузы несут версию более сильной активации ZmPIMT1, помогая семенам лучше прорастать после длительного хранения или суровых условий.
Хранящиеся семена из одного и того же урожая Zheng58 и Chang7-2, 2 родительских линий гибрида кукурузы Zhengdan 958, самого популярного сорта кукурузы в Китае на основе площади посадки, показали значительные различия в конечном проценте прорастания семян как в оптимальных, так и в условиях ускоренного старения
«Выявлено две основные версии регуляторной области ZmPIMT1 у различных линий кукурузы. Одна версия обеспечивает высокий уровень продукции мРНК ZmPIMT1, а другая содержит крупную вставку ДНК, которая снижает экспрессию и, как следствие, ухудшает продуктивность семян в условиях старения. Семена с большим количеством белка ZmPIMT1 сохраняли более высокий процент всхожести и давали более здоровые сеянцы после тестов на ускоренное старение — стандартной меры сохраняемости семян», как отметили авторы работы.
Брюс Дауни, соавтор работы из Университета Кентукки, объяснил значение открытия и принцип работы «ремонтной бригады».
Со временем обычные химические реакции деформируют и повреждают белки внутри сухих семян, включая белки, необходимые, как только семя начинает прорастать — в период, когда растение снова начинает расти после покоя. Вместо того, чтобы отбрасывать повреждённые белки и восстанавливать их с нуля, ZmPIMT1 помогает вернуть поврежденные фрагменты в рабочее состояние. Это экономит энергию и поддерживает работу критически важных систем в первые часы прорастания.
ZmPIMT1 — это «помощник по ремонту» в семенах, который контролирует белок PABP2, помогающий выбирать, какие из сохранённых фрагментов преобразуются в новые белки, когда семя просыпается и поглощает воду. Если PABP2 повреждён и не восстановлен, семя не может быстро синтезировать важные белки, поэтому оно теряет энергию. Когда в семени больше ZmPIMT1, PABP2 работает лучше, и семя может справиться со старением и прорасти крепким.
«Специалисты по семенной биологии называют этот процесс «правилом Иова». Чтобы семена пережили сухое хранение, необходимо защитить и восстановить механизм синтеза белка. Данное исследование показывает, что у кукурузы ZmPIMT1 играет важную роль в этой защите. Полученные результаты дают селекционерам и семеноводческим компаниям конкретный генетический маркер для отслеживания в их стремлении вывести еще более устойчивые семена. Производители семян вкладывают значительные средства в создание гибридов, которым доверяют фермеры. Если партия семян теряет энергию при хранении, это означает снижение всхожести, затраты на пересев и неприятные последствия для фермеров. Выбор линий с более сильным промотором ZmPIMT1 — это практический шаг к созданию партий семян, которые будут оставаться надежным», — заключил Брюс Дауни.
Источники: University of Kentucky, Джордан Стриклер; The Plant Cell (2025), DOI: 10.1093/plcell/koaf217