Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания успешно создала устойчивые к фитофторе пальмовира растения какао, используя технологию редактирования генов, чтобы защитить производство популярнейшего продукта из какао-бобов – шоколада.
В результатах исследования, опубликованных в журнале Plant Biotechnology Journal в преддверии печатной публикации этой осенью, ученые сообщили, что они отредактировали ген TcNPR3 в растениях какао, что в конечном итоге привело к появлению растений какао, у которых было на 42% меньше поражений при заражении фитофторой пальмовира по сравнению с нередактированными растениями.
«Фермеры, выращивающие какао, особенно те, у кого ограниченные экономические ресурсы, испытывают трудности с внедрением дорогостоящих мер по борьбе с болезнями», — сказал руководитель группы Марк Гилтинан, профессор молекулярной биологии растений в Колледже сельскохозяйственных наук Университета Пенсильвании и первый автор исследования.
«Многие методы генной модификации сталкиваются с предрассудками, поскольку в конечном продукте остаётся чужеродная ДНК. Наш подход может решить обе эти проблемы», добавил он.
Исследователи использовали CRISPR-Cas9 — технологию редактирования генов, которая действует подобно «молекулярным ножницам» для точной модификации последовательностей ДНК в геноме, а также полных инструкций, кодирующих белки и другие компоненты живых клеток и организмов. Обычно это происходит путём вырезания нежелательных генов из генома и добавления генов из родственных или модифицированных в лабораторных условиях организмов для достижения желаемой функциональности.
В данном научной работе растения какао были созданы с отредактированным геномом, не содержащих трансгенов. Это означает, что ДНК растения была изменена без сохранения чужеродной ДНК в конечном продукте, что решает нормативные проблемы и обеспечивает признание со стороны потребителей.
Команда исследователей отредактировала ген TcNPR3, участвующий в защитной системе растения, в растительных клетках, вырастила из этих клеток полноценные растения и подтвердила их меньшую восприимчивость к болезни в лабораторных исследованиях с использованием листьев растений (так называемый лиственный анализ).
Команда скрестила эти отредактированные растения с обычными растениями какао, что привело к получению нетрансгенного потомства с желаемыми генетическими изменениями - это были «чистые» модификации. Исследователи проанализировали экспрессию генов, полученных в результате чистых модификаций, и обнаружили повышенную экспрессию генов, участвующих в защите растений, при этом экспрессия некоторых других генов была снижена, что позволяет предположить, что TcNPR3 может как подавлять, так и активировать определенные гены.
«Наша исследовательская группа выбрала ген TcNPR3, поскольку из предыдущих исследований мы узнали, что он действует как молекулярный „тормоз“ для естественной защитной системы растений. Белки NPR3 - семейство, к которому принадлежит TcNPR3 - являются негативными регуляторами иммунитета растений, по сути, не давая им вырабатывать надёжную защиту от патогенов, когда они не подвергаются непосредственному воздействию», - пояснил Гилтинан.
NPR3 - это система безопасности, находящаяся в «режиме ожидания». Нарушение работы гена включает его «режим повышенной готовности», усиливая естественную защиту растения и делая его менее уязвимым к атакам патогенов.
По словам Гилтинана, результат - растения какао, содержащие только желаемые генетические модификации без каких-либо трансгенных элементов - создает важный нормативный прецедент, поскольку Министерство сельского хозяйства США (USDA) определило, что эти отредактированные растения не подпадают под действие правил биотехнологии, поскольку они не содержат чужеродного генетического материала, как ГМО, а только точные изменения в местных генах какао.
После анализа обширных данных, представленных в рукописи исследования, Министерство сельского хозяйства США официально заявило, что не считает, что линии какао с отредактированным геномом соответствуют тем же требованиям регулирования, что и генетически модифицированные растения. Однако, по словам Гилтинана, эти растения всё ещё могут подпадать под регулирование Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, «но это в будущем».
Гилтинан предположил, что такая нормативная ясность устраняет главное препятствие для внедрения, добавив, что далее команде придется протестировать линии на открытом воздухе, на исследовательских станциях в тропических районах.
«Нам необходимо оценить продуктивность растений за пределами наших теплиц. В случае успеха мы надеемся, что в скором времени фермеры смогут воспользоваться этими устойчивыми к болезням растениями, чтобы улучшить свои агропрактики и защитить окружающую среду от чрезмерного использования фунгицидов», - сказал ученый.
Гилтинан и его команда оценивают дополнительные возможности повышения устойчивости к болезням, а также изучают новые методы редактирования генома с целью разработки в ближайшие годы второго поколения линий какао с отредактированным геномом.
«Мы не просто создаём улучшенные сорта какао - мы изучаем, как современная биотехнология может работать в рамках существующих нормативных актов для решения реальных сельскохозяйственных задач. Традиционные методы селекции медленные, и зачастую на создание новых устойчивых сортов уходят десятилетия. Для миллионов фермеров, которые зависят от выращивания какао, и миллиардов тех, кто наслаждается шоколадом, это исследование даёт надежду на более устойчивое и безопасное будущее — одно точное генетическое редактирование за раз», заключил Гилтинан.
Другими членами группы, участвовавшими в исследовании, были: Лена Ландхерр, доцент кафедры растениеводства; Сиэла Максимова, профессор кафедры биотехнологии растений и соруководитель Программы по молекулярной биологии какао в Институте наук о жизни им. Хака при Университете штата Пенсильвания; Данте ДельВеккьо, аспирант кафедры растениеводства; Асвати Себастьян, аналитик по биоинформатике в Институте Хака; и Иштван Альберт, профессор кафедры биоинформатики в Институте Хака.
Источник: Pennsylvania State University.
На фото вы видите, как мицелий фитофторы пальмивора, вызывающей заболевание деревьев какао, прорастает из агаровой пробки, заражая лист какао через 48 часов после заражения. Автор фото: Марк Гилтинан/Университет штата Пенсильвания.
