Перенаправление метаболических путей привело к значительному увеличению полезных веществ в популярной пряной культуре и подтверждает новую концепцию создания суперполезных культур.
Исследователи из Университета Хиросимы использовали редактирование генома, чтобы превратить красную периллу в похожую на неё зелёную, и одновременно изменили химический состав растения, чтобы повысить уровень соединений, ценимых за их потенциальные полезные свойства для здоровья. Результаты указывают на новую стратегию разработки высокоценных сельскохозяйственных культур для пищевой и фармацевтической промышленности. Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Plant Science.
Перилла, представитель семейства яснотковые, культивируется по всей Азии и известна под многими названиями, включая «шисо» в Японии, «ккаеннип» в Корее и «тято» во Вьетнаме. Растение подразделяется на красные и зеленые сорта в зависимости от цвета листьев, что сильно влияет на его кулинарное применение, рыночную стоимость и привлекательность для потребителей. В Японии красная перилла ценится за придание особого цвета и вкуса маринованным сливам, тогда как зеленая перилла обычно употребляется в свежем виде из-за своего аромата и вкуса. Хотя перилла наиболее известна как кулинарная трава, она также обладает целым рядом полезных для здоровья свойств.
«Перилла содержит более 400 биологически активных соединений, включая антоцианы, лютеолин, розмариновую кислоту и периллальдегид, которые, как было установлено, обладают антиоксидантными, противовоспалительными, антибактериальными и другими полезными для здоровья свойствами», — сказал Хидемаса Боно, профессор Высшей школы интегрированных наук о жизни Хиросимского университета и один из авторов исследования.
Однако генетические механизмы, контролирующие производство и баланс этих соединений, до сих пор остаются в значительной степени неизвестными.
В поисках ответа исследователи обратились к CRISPR-Cas9, технологии редактирования генома, которая позволяет ученым точно модифицировать ДНК. В красной перилле команда отключила ген под названием флаванон-3-гидроксилаза (F3H), который кодирует фермент, являющийся ключевым звеном в пути биосинтеза флавоноидов.
Результат был очевиден сразу. «Растения, у которых был отредактирован ген F3H, утратили характерную красную пигментацию и приобрели зеленые листья, практически неотличимые по внешнему виду от обычных зеленых сортов периллы», — сказал Боно.
Химический анализ показал, что изменение цвета отражает существенный метаболический сдвиг. В отредактированных растениях было обнаружено значительно меньшее количество антоцианов — пигментов, ответственных за красный цвет, — и при этом значительно больше флавонов — класса растительных соединений, обладающих многочисленными полезными для здоровья свойствами. В частности, концентрация лютеолина, флавона, известного своими антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, увеличилась примерно в шесть раз по сравнению с неотредактированными растениями.
Исследователи также обнаружили повышенный уровень розмариновой кислоты, еще одного биоактивного метаболита, связанного с потенциальными преимуществами для здоровья, что позволяет предположить, что редактирование гена F3H влияет не только на производство флавоноидов, но и на более широкий метаболизм фенилпропаноидов.
Важно отметить, что команда создала стабильные отредактированные линии, которые не содержат чужеродной ДНК. Это демонстрирует возможность получения нетрансгенных сортов периллы с заданными метаболическими профилями.
«Модифицируя ген одного фермента в красной перилле, мы успешно изменили метаболизм растения, увеличив содержание полезных для здоровья соединений. Редактирование генома позволяет разработать высокоэффективную периллу с повышенной ценностью для пищевой и фармацевтической промышленности», — сказал Боно.
Команда планирует использовать недавно разработанные линии для дальнейшего исследования сложных биологических функций периллы и углубления понимания того, как регулируются ее разнообразные метаболиты.
«Мы надеемся использовать эти результаты для разработки высокоэффективных функциональных продуктов питания, обогащенных полезными соединениями, а также изучить возможность использования периллы в качестве нового источника фармацевтических материалов природного происхождения», — сказал Боно.
Источник: Hiroshima University.
На фото растения периллы демонстрируют поразительное изменение цвета с красного на зеленый и повышенное накопление полезного для здоровья флавоноида лютеолина. Авторы фото: Шуджи Мацушита и др., Научно-исследовательский институт технологий префектуры Хиросима.