Ученые обнаружили ключевой ген липоксигеназы (LOX-A4), мутация которого у диких предков пшеницы когда-то помогла создать культуру такой, какой мы ее знаем, но снизила ее устойчивость к стрессу. Восстановление исходной сильной версии гена в современной мягкой пшенице тормозит рост растения, но исследователи смогли обойти ограничение при помощи геномного редактирования.
Международный консорциум под руководством профессора Раджива Варшни обнаружил, что ген LOX-A4 у дикого предка пшеницы Triticum urartu регулирует компромисс между ростом и защитой, при этом современные сорта утратили устойчивость к стрессам из-за мутации этого гена. Используя CRISPR-редактирование промотора, исследователи смогли активировать защитные механизмы только в условиях стресса, преодолев компромисс и сохранив высокую урожайность.
А теперь давайте разберем эту эволюционную драму простыми словами. Перед нами классический пример того, как человечество, одомашнивая дикую пшеницу тысячи лет назад, невольно сделало ее «неженкой». Ген LOX-A4 (липоксигеназа) — это, грубо говоря, главный переключатель «военного положения» в организме растения.
В диком предке пшеницы (Triticum urartu) ген LOX-A4 работает на полную мощность. Когда на растение нападает патогенный гриб или наступает засуха, этот ген запускает выработку жасмоновой кислоты, гормона тревоги, и растение включает режим защиты: срочно закрывает поры (устьица), чтобы не терять воду, и направляет все соки на выработку фитоалексинов — природных антибиотиков и ядов против вредителей. При этом полностью останавливается рост и налив зерна. Растению не до рекордов урожайности, ему нужно выжить.
Почему мутация помогла пшенице распространиться?
Тысячи лет назад произошла случайная мутация. У некоторых растений дикой пшеницы ген LOX-A4 «сломался», то есть стал работать очень слабо. В природе такое растение быстро бы погибло от первой же засухи, но тут вмешался древний фермер.
Люди начали поливать пшеницу, пропалывать сорняки и защищать ее. В этих комфортных условиях «поломанная» пшеница повела себя превосходно. Поскольку ее внутренний переключатель тревоги не работал, она никогда не останавливала рост. Она тратила всю энергию исключительно на создание огромных, сочных и тяжелых зерен. Древние люди увидели, что эти мутанты дают в разы больше урожая, и начали собирать только их семена. Так мутантная пшеница распространилась по всему земному шару, вытеснив диких предков. Человечество получило много еды, но взамен получило культуру, полностью зависимую от оптимальных условий.
Современная мягкая пшеница унаследовала эту мутацию. У нее «отключена» генетическая бдительность. Если наступает климатическая засуха или нашествие патогенов, современная пшеница не умеет вовремя и эффективно «сгруппироваться» и защитить себя — ее ген LOX-A4 спит. Когда ученые пытались старыми методами (селекцией) вернуть сильную, дикую версию этого гена, пшеница превращалась обратно в дикаря: при шоке она паниковала и прекращала расти (это эволюционный компромисс).
Что именно сделали ученые с помощью CRISPR?
Команда профессора Варшни не стала полностью включать или выключать ген. С помощью молекулярных ножниц CRISPR они отредактировали промотор гена (это «ручка громкости» гена). Они настроили его так, что теперь ген LOX-A4 молчит и спит при благоприятных условиях (пшеница быстро растет и дает хороший урожай) или просыпается в момент реальной угрозы (например, в первый же день экстремальной жары). Растение на время защищает себя, а когда стресс уходит — снова возвращается к росту.
Таким образом, с помощью точного CRISPR-редактирования исследователям удалось «настроить» баланс гена так, чтобы повысить устойчивость пшеницы к засухе и болезням, полностью избежав потерь в урожайности и скорости роста.
Исследование опубликовано в Nature Communications.