Изменчивость, особенно скрытая, играет жизненно важную роль в эволюции и адаптации живых организмов. В растительном мире фенотипическое разнообразие обусловлено не только четко выраженными генетическими аллелями, но и многочисленными «криптическими» генетическими вариантами — вариантами, которые по отдельности оказывают малозаметное влияние на внешний облик растения, но при взаимодействии могут вызвать значительные изменения. Последние исследования раскрывают, как именно эта скрытая вариация способствует фенотипическим изменениям посредством сложных генетических взаимодействий, известных как иерархическая эпистаза. Эту тему подробно изучали на примере модели томата, что открывает новые горизонты в понимании генетической архитектуры сложных биологических признаков. Криптическая генетическая изменчивость — это совокупность вариаций в ДНК, которые не проявляют очевидного влияния на фенотип в изолированных условиях, но становятся заметными в определённых генетических или средовых контекстах.
Это понятие зародилось в эволюционной биологии как объяснение того, почему популяции, несмотря на кажущуюся стабильность фенотипа, содержат большой запас потенциального генетического разнообразия, способного быстро мобилизоваться в ответ на изменения среды или появление новых мутаций в других генах. В контексте растений это имеет огромное значение, так как адаптация к переменам включает постоянный баланс между сохранением устойчивости и способностью к изменению внешних признаков для успешного размножения и выживания. Главным препятствием в понимании роли криптических мутаций являлась сложность генетических взаимодействий и нехватка методов для точного анализа их влияния. Революционные технологии, такие как редактирование генома CRISPR и интенсивное изучение пангенома, позволили исследователям создавать серии мутаций и прослеживать их эффект на фенотипы в строго контролируемых генетических фондах. На примере томата была изучена казалось бы простая, но при этом функционально насыщенная сеть, включающая пары паралогичных генов — представителей транскрипционных факторов MADS-box, управляющих архитектурой соцветия и количеством ветвлений.
В частности, исследования сфокусировались на двух компонентах этой сети – генах JOINTLESS2 (J2) и ENHANCER OF JOINTLESS2 (EJ2), которые показывают степень функциональной избыточности и взаимодействия. Единичные мутации в каждом из этих генов ведут к минимальным или незаметным фенотипическим изменениям, что говорит о наличии компенсационного механизма между паралогами. Однако комбинация мутаций, особенно при гомозиготном состоянии, реализует синергетический эффект, приводящий к резкому увеличению количества ветвлений соцветия. Интересно, что были обнаружены также естественные варианты в регуляторных регионах EJ2, выявленные с помощью пангеномного анализа разных видов Solanum, которые влияют на экспрессию этого гена и, в сочетании с мутациями в J2, вызывают изменчивость в структуре соцветий. Изучение этих вариаций донесло до ученых понимание о сложной иерархической эпистазе — процессе, при котором взаимодействия не ограничиваются только простым суммированием мутаций, а включают множители, способные усиливать или ослаблять влияние генов в зависимости от контекста другого набора генов.
Эти взаимоотношения описываются с помощью математических моделей, которые показали, что взаимодействия внутри каждой пары паралогов (например, J2 и EJ2) имеют положительную синергию, что расширяет спектр фенотипических вариаций. В то же время мутации между паралогичными парами (такими как PLT-транскрипционные факторы, выявленные как регуляторы EJ2) обладают антагонистическими взаимодействиями, где накопление изменений в одной паре генов снижает влияние мутаций в другой. Такая многослойная, иерархическая структура взаимодействий формирует своеобразное «фенотипическое пространство», в котором организмы могут как сохранять стабильность, так и обеспечивать быстрые скачки в фенотипе. Дополнительным открытием стала идентификация роли семейства PLETHORA (PLT) транскрипционных факторов, регулирующих EJ2 через специфические сайты связывания в его промотере. Генетический knock-out мутаций в PLT3 и PLT7 продемонстрировал, что их действие также характеризуется функциональной избыточностью и дозозависимыми эффектами на архитектуру соцветия.
Практически, по сочетанию мутаций в этих генах с мутациями J2 и вариантов EJ2, ученые создали множество генотипов томата с разнообразными проявлениями ветвления, количество которых удалось статистически проанализировать благодаря внушительному объему собранных данных — более 35000 наблюдений соцветий. Разработка и внедрение многоуровневых статистических и математических моделей позволила не только подтвердить гипотезу о наличии иерархической эпистазы, но и количественно описать как именно мутации влияют друг на друга в контексте всей сети. Использование таких моделей — уникальная возможность предсказывать результат сложных генетических комбинаций, необходимая как для фундаментальной науки, так и для практических приложений в растениеводстве и селекции. Управление эпистатическими взаимодействиями позволит создавать сорта с заранее прогнозируемыми и оптимизированными признаками, такими как оптимальная архитектура соцветий, что улучшит урожай и адаптируемость культур. Из общего контекста следует, что подобные механизмы, вероятно, распространены в различных генетических сетях растений и других организмов, где дублирование генов и наличие паралогов создает условия для накопления криптической вариации.
Это скрытое генетическое разнообразие является источником как устойчивости, так и эволюционной гибкости — запасным потенциалом для быстрой адаптации. Понимание принципов взаимодействия между паралогами и природы эпистатических отношений служит ключом к раскрытию этого потенциала. Кроме того, данные исследования посвящены сравнению генетических и эволюционных особенностей между семействами растений, показывая, как вариабельность состава паралогов и их регуляторных элементов влияет на способности к фенотипической эволюции. Например, отличие Solanaceae от Brassicaceae в составе генов J2/EJ2 и PLT обусловливает разницу в эволюционной пластичности архитектуры соцветия, что связано с чувствительностью к изменению дозировки и взаимодействиям генов. В итоге, выводы работы свидетельствуют о том, что иерархическая эпистаза и криптическая генетическая вариация формируют фундаментальную основу фенотипической эволюции растений.
Эти процессы обеспечивают баланс между стабилизацией развития и потенциальной способностью к разнообразным фенотипическим переходам, которые могут быть важны как для адаптации в природе, так и для селекционного улучшения в сельском хозяйстве. Перспективы дальнейших исследований включают расширение изучения эпистатических сетей на более крупные ансамбли генов и поиск новых компонентов, влияющих на ключевые признаки растений. Освоение подходов по предсказанию фенотипов на основе сложных генотипов, с учетом многоуровневых взаимодействий, поможет выведению инновационных сортов с целенаправленными адаптивными качествами. Таким образом, интеграция знаний о скрытой генетической вариации и иерархической эпистазе станет одним из столпов современной биотехнологии и эволюционной биологии растений.
