Новая высокоэффективная система редактирования генома проса африканского помогает ускорить разработку устойчивых и богатых питательными веществами сортов, укрепляя будущее продовольственной и пищевой безопасности в регионах, наиболее уязвимых к изменению климата.
Просо африканское – одна из самых устойчивых сельскохозяйственных культур в мире, обеспечивающая продовольственную и пищевую безопасность более 90 миллионов человек в странах Африки к югу от Сахары и Азии. Способность противостоять засухе, жаре, засоленности и низкому плодородию почв делает его незаменимым для сообществ, живущих в самых сложных климатических условиях. Несмотря на эту важность, прогресс в генетическом улучшении продвигается медленно. Ключевым ограничением является сложность трансформации проса африканского и его регенерации in vitro, что затрудняет применение современных методов, включая редактирование генома.
Недавнее исследование демонстрирует значительный прогресс, преодолевающий эти барьеры. Учёные из CIMMYT совместно с Corteva Agriscience разработали понятную и надёжную систему генетической трансформации и редактирования на основе CRISPR для проса африканского. Достижение открывает новые возможности для улучшения характеристик, важных для продовольственной безопасности, питания и устойчивости к изменению климата.
Просо африканское составляет почти половину мирового производства проса и всё чаще рассматривается как стратегическая культура для производства продовольствия, кормов и фуража. Его зерно не содержит глютена, богато питательными веществами и важно для людей, живущих в засушливых регионах. Однако до настоящего времени большая часть прогресса была достигнута за счёт традиционной селекции, поскольку эту культуру сложно трансформировать в лабораторных условиях.
Новая система трансформации решает эту давнюю проблему, создавая надежный путь, который исследователи могут использовать для ускорения открытия признаков и разработки сортов.
Группа исследователей использовала незрелые эмбрионы в качестве исходного материала и определила конкретные типы эмбрионов, которые стабильно индуцировали сильное образование каллуса. Затем эти эмбрионы были подвергнуты воздействию Agrobacterium tumefaciens, содержащих геномные конструкции, предназначенные для точной модификации целевых генов.
Ключевым нововведением стало включение двух генов-регуляторов морфогенеза, WUSCHEL2 и BABY BOOM1. Эти гены способствуют регенерации трансформированных клеток и помогают им вырасти в полноценные растения, не вызывая аномального развития. Этот подход улучшил регенерацию других злаковых культур и теперь обеспечивает тот же эффект для проса.
Для демонстрации успешной работы системы были выбраны два гена:
PgFAD2a, который влияет на характеристики масла семянPgPDS, нарушение которого приводит к появлению видимых белых полос на листьяхРезультаты демонстрируют очень высокую эффективность редактирования. Уровень PgFAD2a в трансформированных растениях достигал от 78 до 100%. Растения с отредактированным геном PgFAD2a нормально росли в тепличных условиях, а растения с отредактированным геном PgPDS демонстрировали ожидаемый белый рисунок листьев при культивировании тканей.
Для повышения точности отбора трансформированных тканей исследователи использовали AmCYAN — флуоресцентный белок, дающий чёткий сигнал в синем свете. Этот маркер позволил команде отслеживать трансформированные каллусы и ткани на каждой стадии развития, сокращая количество растений, которые кажутся трансформированными, но на самом деле не являются таковыми. Полный процесс трансформации и регенерации занимает около 145 дней.
Это исследование закладывает важную основу для будущих улучшений этой сельскохозяйственной культуры, которая жизненно важна для сообществ, столкнувшихся с климатическим стрессом.
Возможность надёжного редактирования африканского проса позволит исследователям получить сорта, которые имеют:
улучшенные питательные качестваболее высокую устойчивость к засухе, жаре, засолению и кислотности почвыповышенную устойчивость к грибным заболеваниямменьше проблем с качеством после сбора урожая, такие как прогорклость мукиТакже исследование открывать путь для более быстрых и точных селекционных конвейеров.
Делая редактирование генома африканского проса более доступным, эта работа способствует развитию более инклюзивных и устойчивых агропродовольственных систем и укрепляет научные инструменты, доступные для реагирования на потребности фермеров.
Достижение знаменует собой поворотный момент в науке о африканском просе. Оно демонстрирует, что технические барьеры, ограничивающие трансформацию, могут быть преодолены благодаря оптимизированной разработке векторов и поддерживающих путей регенерации.
С помощью этой новой платформы учёные могут ускорить открытие признаков, повышающих продуктивность, питательность и адаптацию к изменению климата. В конечном счёте, исследование расширяет возможности улучшения культуры, имеющей решающее значение для продовольственной безопасности и жизнеобеспечения миллионов людей.
Источник: CIMMYT.