В каких странах растительная вакцинация будет особенно востребована
Ежегодно от 20 до 40 процентов продовольственных культур в мире теряется из- за вредителей и патогенов. По данным ФАО, это оставляет 821 млн человек без достаточного количества пищи для еды и обходится мировой экономике примерно в 220 миллиардов долларов. Ученые предлагают ввести растительную вакцинацию
Распространение вредителей и болезней усугубляется изменением климата, которое оказывает огромное влияние на поставки продовольствия, изменяет экосистемы и создает новые ниши, в которых эти вредители могут процветать и расширять свой ареал. В виду серьезных угроз продовольственной безопасности ученые ищут устойчивые решения для защиты сельскохозяйственных культур.
В августе 2019 года исследовательская группа во главе со Свеном-Эриком Беренсом из Галле-Виттенбергского университета имени Мартина Лютера, Германия, объявила о разработке быстрого и надежного подхода к созданию вакцины для растений. Вакцину можно распылять как пестицид или вводить внутрь, как вакцину для животных.
Система названием РНК-интерференция работает следующим образом: клетка распознает двухцепочечную РНК (двоюродную сестру ДНК, которая также несет генетическую информацию), которая не является его собственной, как вирус, пытающийся захватить клетку, и прерывает ее РНК на мелкие фрагменты. Затем клетка использует эти фрагменты, чтобы идентифицировать и остановить дальнейшую активность патогена. Интересно, что эукариотические клетки животных, растений и грибов, применяют этот механизм для регуляции своих собственных генов, распознавая и подавляя свою собственную РНК. Это может отключить или даже точно настроить экспрессию гена по аналогии выключателя лампы.
Группа Беренса воссоздала механизм в своей лаборатории, используя культивируемые клетки растений табака и двухцепочечную РНК из вируса кустистой карликовости томата (TBSV).
Затем они нашли вирусную РНК, которая вызвала самую сильную реакцию в растениях табака, и провели эксперименты по вакцинации, вводя эту РНК в незараженные растения табака. Они обнаружили, что растения, инокулированные самой мощной вакциной, были защищены на 90%.
До сих пор попытки РНК-вакцинации основывались на генетической инженерии геномов растений для экспрессии специфических РНК, обычно наблюдаемых только у вредных организмов, поэтому они растут уже привитыми.
В 2017 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) одобрило генно-инженерную кукурузу, специально разработанную для борьбы с кукурузным корневым червем.
Однако в ряде стран существуют опасения по поводу выращивания ГМ-культур. А, значит, нужны нетрансгенные, устойчивые альтернативы, которые могли бы снизить применение пестицидов. Комбинируя легкое в применении распыление, типичное для химических пестицидов, с точностью, предлагаемой генной инженерией, растительные вакцины будут востребованы там, где использование ГМО запрещено политическими правилами.
Одним из основных преимуществ «вакцинации» растений является то, что молекулы РНК могут доставляться извне растениям путем местного применения: спрей, инъекция стебля, смачивание корня или обработка семян.
Такой простой способ доставки дает растительным вакцинам еще одно преимущество: гибкость. Вирусы и патогены постоянно мутируют, чтобы адаптироваться к меняющимся условиям; разработка специализированной вакцины РНК будет быстрее и проще, чем трудоемкие процедуры, необходимые для редактирования генов.
Это было бы преимуществом для многолетних культур, таких как виноград, цитрусовые и яблони, дорогостоящие объекты для генетической модификации. Вакцины РНКи также очень специфичны: воздействуют только на целевые патогены, в то время как нежелательное воздействие на другие организмы, как ожидается, будет ограниченным.
Вакцинация растений имеет огромное значение для многих коммерчески важных основных культур, которым угрожают вирусы: рис, пшеница, кукуруза, сладкий картофель, маниока и банан. Например, по меньшей мере десять различных видов вирусов обнаружены в растениях маниоки, пораженных мозаичной болезнью маниоки (CMD). Болезнь угрожает культуре маниоки в восточной и центральной Африке, а в последнее время распространилась в юго-восточную Азию, поставив в итоге перед угрозой голода и потери средств к существованию 800 млн человек.
Хотя РНК-вакцину нельзя напрямую использовать против фитопатогенных бактерий, не применяющий механизм экспрессии генов, она годится для борьбы с переносчиками бактерий – насекомыми, который данный механизм имеют.
Когда насекомое питается растением, несущим РНК, которая отключает жизненно важные для вредителя гены, вакцина приобретает функции целевого биоразлагаемого пестицида. Следовательно, насекомое-переносчик погибает и ограничивает транспортировку опасных бактерий.
Подход был бы очень полезен в случае с бактерией Xylella fastidiosa, вызывающей целый ряд болезней у разных видов растений – бактериоз (болезнь Пирса) у винограда, цитрусовый пестрый хлороз и синдром быстрой смертности оливкового дерева. В южной части Италии X. Fastidiosa несет ответственность за уничтожение столетних оливковых садов.
По оценкам, бактерия может атаковать до 563 видов растений, относящихся к 82 ботаническим семействам, передаваясь насекомыми. На сегодняшний день, кроме мер профилактики и сдерживания, не существует известного лечения от заражения Xylella fastidiosa. Но РНК-вакцина была бы в состоянии защитить посевы от насекомых, транспортирующих бактерию.
Сейчас необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, как молекулы РНК могут быть получены в больших промышленных количествах.
(Источник: massivesci.com. Автор: Фабиола де Марчи, Университет Падуи, Италия).