Насекомые, питающиеся крахмалом, могут найти добычу в посевах кукурузы, гороха и фасоли, а также на складах. Неслучайно предки этих коммерческих растений выработали белки-ингибиторы α-амилазы, которые делают крахмал в их семенах неперевариваемым для вредителей, не давая им стать серьёзной угрозой. Однако одомашнивание человеком диких растений с целью повышения продуктивности и усвояемости, возможно, привело к снижению содержания этих ингибиторов. Редактирование генов предлагает новые решения.
В статье, опубликованной в журнале Biotechnology Journal, международная группа исследователей обсуждает достижения последних двух десятилетий и подчёркивает потенциал генного редактирования для создания растений, вырабатывающих эти ингибиторы в больших количествах для борьбы с насекомыми-вредителями. Конечно, при этом необходимо обеспечить усвояемость этих растений человеком и другими нецелевыми организмами, например, домашним скотом.
Группу авторов возглавили ученые из Бразильской корпорации сельскохозяйственных исследований (EMBRAPA) и Исследовательского центра по геномике изменения климата.
«В начале 2000-х годов в этой области было достигнуто немало успехов, таких как поиск генов, кодирующих ингибиторы альфа-амилазы у различных видов растений, оценка специфичности этих молекул в отношении ферментов альфа-амилазы у насекомых-вредителей и нецелевых организмов, а также разработка трансгенных растений с повышенной экспрессией этих молекул. Также был достигнут прогресс в защите интеллектуальной собственности посредством подачи и выдачи патентов», — говорит Маркос Фернандо Бассо, исследователь из GCCRC и первый автор статьи.
Проблемы традиционных трансгенных подходов и преимущества редактирования генов
Однако использование классической трансгенетики, предполагающей встраивание генов других видов в геном интересующих растений, препятствует компаниям, занимающимся биотехнологиями и производством продуктов питания, разрабатывать и использовать их конечный продукт. Новые трансгенные организмы для потребления человеком рискуют столкнуться с низким спросом на рынке и высокими издержками на нормативно-правовое регулирование.
Клопы, жуки хрущаки, долгоносики и древоточцы – примеры насекомых, вырабатывающих ферменты амилазы. Эти ферменты преобразуют молекулы крахмала, содержащиеся в листьях и семенах важных сельскохозяйственных культур, в сахара. Взрослые особи и личинки этих вредителей могут поражать семена в полях и во время хранения, приводя к экономическим потерям и снижению качества продуктов питания. Например, хлопковый долгоносик (Anthonomus grandis) питается сахарами, которые производятся и запасаются в бутонах хлопчатника. Аналогично, кофейный жук (Hypothenemus hampei) — это насекомое, личинки которого питаются семенами кофе.
Насекомые-вредители, такие как долгоносик, стали одной из первых целей этих технологий из-за наносимого ими значительного ущерба, особенно зерну, хранящемуся длительное время. В этой богатой питательными веществами среде они быстро размножаются. Заражение может произойти во время развития стручков и сохраняться при хранении и реализации.
Ингибиторы альфа-амилазы также доказали свою эффективность против насекомых-вредителей. Авторы отмечают, что создание сортов с более высокой продукцией ингибитора альфа-амилазы (при условии, что он не подавляет ферменты амилазы у людей и нецелевых организмов) имеет большой потенциал при использовании методов редактирования генов.
Использование этих методов для увеличения экспрессии или модификации последовательности ДНК собственных генов растений может позволить создавать растения, которые, например, Национальная техническая комиссия по биобезопасности (CTNBio) Бразилии не будет считать трансгенными.
CTNBio — бразильский научно-технический орган, ответственный за разработку, обновление и реализацию Национальной политики биобезопасности в отношении генетически модифицированных организмов (ГМО). Следовательно, эти технологии с большей вероятностью будут приняты рынком и могут представлять интерес для агропромышленных компаний с точки зрения коммерциализации.
«Редактирование генов с использованием технологии CRISPR (инструмента, позволяющего вносить точные и специфические генетические модификации в цепи ДНК или генерировать геномные перестройки) и её вариаций даёт нам возможность увеличить выработку этих ингибиторов или сделать их более активными в интересующих нас растениях для целенаправленного воздействия на насекомых-вредителей, не создавая при этом проблем для людей и животных, употребляющих эти растения или семена в пищу. Поэтому это может стать многообещающим направлением в ближайшие годы», — заключает Бассо.
Источник: FAPESP. Автор: Андре Жулиан; Biotechnology Journal (2025), DOI: 10.1002/biot.70098
На фото: самка хлопкового долгоносика (Anthonomus grandis) питается цветочными бутонами хлопчатника и откладывает в них яйца, что приводит к их отмиранию и снижению качества волокна и урожайности. Источник: Университет Клемсона / Wikimedia Commons.