Пирикуляриоз остается самым опустошительным заболеванием рисовых плантаций на планете, но теперь ученым есть, чем ответить патогену, используя систему молекулярных ножниц CRISPR/Cas9 для модернизации сортов. В новом исследовании ученые не стали внедрять в растение чужеродную ДНК, а пошли по пути «выключения» двух собственных генов восприимчивости риса, которые служили входными воротами для инфекции. В результате им удалось создать сверхустойчивую линию, которая блокирует размножение гриба, сохраняя эталонное качество и вкус премиального зерна.
Проблема традиционной селекции риса заключается в вечном компромиссе между вкусом и выносливостью. Когда селекционеры десятилетиями выводят ароматные и высококачественные сорта риса, они невольно закрепляют в их геноме уязвимости. Грибной патоген Magnaporthe oryzae, вызывающий пирикуляриоз, виртуозно пользуется этими генетическими брешами. Он находит в ДНК элитных растений особые гены восприимчивости, которые работают как пригласительный билет для инфекции.
Пирикуляриоз ведет себя как «выжигатель» растительных тканей. Когда споры гриба прорастают, они буквально переваривают клетки риса изнутри.
На зелёной поверхности листа появляются характерные продолговатые пятна, похожие по форме на веретено. У них темные (бурые или коричневые) края, а вот центр пятна становится пепельно-серым. Этот серый цвет — омертвевшая, высохшая ткань листа. Пятна быстро разрастаются, сливаются вместе, и в итоге весь лист засыхает и отмирает, лишая растение возможности дышать и ловить солнечный свет.
На метелках (зерновых кистях) гриб поражает основание этой кисти или её отдельные веточки. Ткань в месте поражения чернеет или сереет и отмирает. Из-за этого приток питательных веществ к зернам полностью перекрывается. В результате колос ломается, а зерна либо вообще не успевают сформироваться (остаются пустыми чешуйками), либо чернеют и сгнивают прямо на корню.
Чтобы дать отпор пирикуляриозу, китайские исследователи обратились к технологии точечного редактирования генома. В качестве полигона для испытаний они взяли высокоценную линию риса-поддерживателя Gengxiang B, которая ценится за великолепные агрономические свойства, но сильно страдает от атак пирикуляриоза.
Изучив геном риса, ученые нацелились на два конкретных участка ДНК — гены Bsr-d1 и Pi21. Именно эти молекулярные элементы блокировали естественную защиту растения, делая его беззащитным перед патогеном.
С помощью бактерий-курьеров исследователи доставили в клетки риса систему CRISPR/Cas9. Молекулярные ножницы сделали надрезы в кодирующей последовательности обоих генов, полностью отключив их работу. В результате ученые получили так называемые двойные гомозиготные мутанты. Это означает, что гены восприимчивости были деактивированы стабильно и навсегда, и это свойство гарантированно передастся будущим поколениям растений.
Лабораторный анализ методом количественной ПЦР подтвердил, что накопление вредных транскриптов в отредактированных линиях полностью прекратилось. Гены-предатели внутри риса замолчали.
Самым интригующим этапом работы стала проверка отредактированного риса на прочность.
Ученые искусственно заразили растения агрессивным штаммом гриба пирикуляриоза. Но как только споры гриба коснулись поверхности листьев, у модифицированного риса активировался каскад внутренних маркерных генов защиты, которые у обычного риса спали. Растение встретило врага во всеоружии, запустив синтез внутренних защитных соединений. Тяжесть поражения как листового аппарата, так и метелок с зерном снизилась до минимальных значений. Там, где обычный дикий тип риса Gengxiang B покрывался язвами и погибал, отредактированные линии оставались зелеными и здоровыми.
Прим. ред. Термин «дикий тип» (wild type) в генетике обозначает исходный, неизмененный вариант организма, в данном случае — элитный сорт риса Gengxiang B до лабораторного редактирования. Отредактированные линии сохранили устойчивость к пирикуляриозу, не уступая исходному сорту в урожайности и качестве зерна.
Важно, что исследователям удалось избежать побочных эффектов генетического вмешательства. Часто бывает так, что при повышении иммунитета растение становится чахлым, дает мелкие семена или теряет свои вкусовые свойства.
Тщательные статистические измерения показали, что между отредактированным CRISPR-рисом и исходным диким типом нет никаких различий в ключевых агрономических признаках. Высота куста, скорость созревания, количество зерен в метелке, а главное — структура, прозрачность, форма и кулинарные качества самого рисового зерна остались безупречными.
«В совокупности эти результаты демонстрируют, что редактирование локусов восприимчивости с помощью CRISPR/Cas9 позволяет получить генетически стабильный устойчивый к пирикуляриозу генофонд риса без ущерба для агрономических признаков или качества зерна, предоставляя ценные генетические ресурсы для будущего улучшения сортов риса», подчеркнули авторы работы.