С изменением климата все большему числу сельскохозяйственных культур необходимо приспосабливаться к широкому диапазону условий, включая засуху, засоление и жару. Традиционная селекция растений позволяет отбирать желаемые признаки, но ограничена уже существующим генетическим разнообразием растений. Во многих культурах одомашнивание и долгосрочная селекция сузили генетическое разнообразие, что ограничивает усилия по разработке новых сортов.
Чтобы обойти эти ограничения, исследователи разработали способы внедрения полезных признаков, таких как засухоустойчивость или солеустойчивость, в растения посредством мутационной селекции. Это предполагает преднамеренное внесение случайных генетических изменений в растения. Затем ученые проводят скрининг генетически модифицированных растений, чтобы определить, какие из них приобрели полезные признаки.
Один из широко используемых подходов основан на использовании радиации для создания структурных вариантов — крупномасштабных изменений ДНК, которые могут затрагивать сразу несколько генов. Однако облучение создает логистические и нормативные препятствия, которые ограничивают круг лиц, имеющих право его использовать, и виды сельскохозяйственных культур, которые можно изучать.
В статье, опубликованной в журнале PLOS Genetics, Мэри Геринг, член Института Уайтхеда, и ее коллеги предлагают новый метод генерации крупномасштабных генетических изменений без облучения. Ведущий автор Линдси Бечен, заведующая лабораторией Геринг; сама Мэри Геринг (американский биолог растений и эпигенетик, автор многочисленных публикаций по геномному импринтингу и деметилированию у Arabidopsis thaliana); бывший научный сотрудник П. Р. В. Сатьяки (ныне преподаватель Университета Торонто) и их коллеги разработали этот подход, подвергая прорастающие семена воздействию этопозида, химиотерапевтического препарата, на ранних стадиях роста.
Препарат воздействует на фермент, который помогает регулировать структуру ДНК во время деления клеток. Когда клетки пытаются восстановить образовавшиеся разрывы в своей ДНК, ошибки в процессе восстановления могут привести к масштабным перестройкам генома. Семена, собранные с обработанных растений, несут эти изменения в наследственной форме.
Процесс основан на стандартных лабораторных методах: семена проращивают на питательной среде, содержащей лекарственное средство, а затем пересаживают в почву для завершения их жизненного цикла.
«Я была удивлена, насколько это эффективно. Разнообразие новых признаков, которые можно было увидеть, просто взглянув на растения первого поколения, было огромным», — говорит Геринг, которая также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте.
Ученые продемонстрировали метод на Arabidopsis thaliana, модельном растении, широко используемом в генетических исследованиях. Примерно две трети обработанных линий растений показали видимые различия, включая изменения формы листьев, размера растения, пигментации и фертильности. Генетический анализ связал эти признаки с делециями, дупликациями и перестройками сегментов ДНК.
В нескольких случаях команда связала конкретные признаки растений с индивидуальными генетическими изменениями. Карликовое растение с толстыми стеблями и необычными листьями имело крупное изменение, нарушившее работу гена, участвующего в развитии листьев. Другое растение, отличавшееся зелено-белыми пятнистыми листьями, имело делецию в гене IMMUTANS — том же гене, который был идентифицирован у мутантов, вызванных радиацией, описанных более 60 лет назад.
Помимо арабидопсиса, лаборатория Геринг применяет эту методику к каяну, или голубиному гороху, засухоустойчивому бобовому растению и важному источнику пищевого белка в некоторых частях Азии и Африки. Голубиный горох — это недооцененная культура, которая потенциально может стать основной сельскохозяйственной культурой, если удастся преодолеть недостаток генетического разнообразия, вызванный историческим «узким местом» в культивировании.
Такие виды, как голубиный горох, часто называют «забытыми культурами», и их исследованиям уделяется мало внимания, поскольку им зачастую не хватает генетического разнообразия, необходимого для выведения улучшенных сортов.
«Все признаки, которые мы хотели бы видеть у голубиного гороха, отсутствуют в существующей популяции. Идея состоит в том, чтобы провести крупномасштабный эксперимент по мутации для увеличения генетического разнообразия», — говорит Геринг.
Группа исследователей, в которую входит научный сотрудник лаборатории Геринг Соня Бур, в настоящее время проводит скрининг обработанных линий голубиного гороха на устойчивость к соли — признак, определяющий места выращивания культуры и ее характеристики на засоленных почвах. Хотя голубиный горох растет дольше, чем арабидопсис, исследователи достигли второго поколения и выявили несколько линий, демонстрирующих многообещающие результаты в условиях засоления.
Химический подход исследователей может быть полезен и для сельскохозяйственных культур, которые трудно модифицировать с помощью инструментов редактирования генов, таких как CRISPR. Хотя CRISPR позволяет вносить точные генетические изменения, он часто основан на генетической трансформации, технически сложном этапе для многих видов растений.
«Многие виды, с которыми мы работаем в сельском хозяйстве или садоводстве, не поддаются генетической трансформации», — говорит Геринг.
Новый метод дополняет существующие генетические инструменты, а не заменяет их. Предоставляя более доступную альтернативу облучению, химическая мутация может расширить возможности крупномасштабных генетических изменений и создания новых сортов растений.
В перспективе лаборатория Геринг планирует разработать обширные коллекции мутантов Arabidopsis, несущих хорошо изученные структурные варианты.
Подобные ресурсы могли бы помочь ученым лучше понять, как крупномасштабные изменения в структуре генома влияют на развитие и продуктивность растений, что послужит основой для будущих исследований и усовершенствования сельскохозяйственных культур.
Источник: Whitehead Institute for Biomedical Research. Автор: Маккензи Уайт.
