Продовольственное снабжение человека зависит от небольшой доли глобального биоразнообразия. Из более чем 370 000 видов растений только ~1000 выращиваются для питания человека или кормления скота, и в мировом масштабе ~30 культур напрямую или косвенно обеспечивают 95% потребляемых нами калорий.
Малое генетическое разнообразие современных культур ослабляют глобальную продовольственную безопасность и устойчивость и становятся узким местом для выпуска улучшенных сортов, отвечающих постоянно растущим потребностям в питании человека. Разнообразие и устойчивость наших продовольственных систем могут быть улучшены за счет продвижения недоиспользуемых культур с желаемыми характеристиками, такими как польза для здоровья, устойчивость к стрессу и адаптация к местным условиям и условиям производства с низкими затратами.
Семейство пасленовых включает около 2600 видов, среди которых широко известны картофель (Solanum tuberosum), томат (Solanum lycopersicum), баклажан (Solanum melongena) и сладкий/чили перец (Capsicum annum), которые в совокупности вносят вклад в мировые запасы.
И более 100 менее известных видов пасленовых играют важную пищевую и культурную роль в продовольственных системах местных районов Африки, Центральной и Южной Америки и Азии, но ограниченная доступность ресурсов и биотехнологических инструментов традиционно ограничивала их генетическое улучшение.
Вирусы растений являются научной сокровищницей ценных инструментов для улучшения систем земледелия. Помимо того, что они являются источником различных генетических элементов и ферментов для биотехнологии и синтетической биологии, вирусы могут быть повторно использованы в целом для доставки экзогенных последовательностей в эукариотические клетки.
Технологии рекомбинантных вирусов (RVT) сделали возможной функциональную геномику и, в последнее время, временное или наследуемое перепрограммирование признаков растений.
Пасленовые играют важную роль в изучении вирусов и разработке биотехнологий на основе вирусов. Систематическая характеристика заболеваний пасленовых культур привела к открытию вирусов как инфекционных агентов и созданию вирусологии как исследовательской дисциплины.
Сейчас технологии RVT переходят от методических исследований для проверки концепции на модельных видах к точному разведению признаков пасленовых культур, что подтверждается недавним применением вирусных систем для временного перепрограммирования признаков и наследуемого редактирования геномных локусов томата, картофеля, перца и баклажана с помощью CRISPR–Cas.
Пасленовые включают основные культуры, включая картофель, томаты, баклажаны и перец, которые в совокупности составят 662 миллиона тонн в 2022 году. Усилия по (пан)геномному секвенированию, направленные на содействие селекции этих глобальных источников продовольствия, недавно приобрели более обширные масштабы. Среди семейств культур и на основе богатства видов пасленовые уступают только капустным с точки зрения чрезмерной представленности в собранных геномах, охватывая культивируемые сорта в глобальном масштабе, а также ряд менее известных съедобных видов.
Используя знания о генетике одомашнивания пасленовых и доступные геномные ресурсы, можно расширить ассортимент пасленовых для питания людей за счет ускоренной селекции недоиспользуемых культур для увеличения производства сладких фруктов, таких как томат древовидный (Solanum betaceum), дынная груша пепино (Solanum muricatum), паслен китайский или луло, его колумбийское название, (Solanum quitoense), овощей, таких как баклажаны алые и гбома (Solanum aethiopicum и Solanum macrocarpon), индийский паслен терунг асам, или волосатый баклажан (Solanum lasiocarpum), или продуктов с высоким содержанием нутрицевтиков, таких как годжи (Lycium spp. – дереза обыкновенная тоже из семейства пасленовых).
Стратегии одомашнивания de novo, использующие генетические знания, полученные из модельных культур, могут улучшить диких и малоиспользуемых родственников для выведения сортов с компактной архитектурой растений, более короткими ювенильными стадиями, повышенной урожайностью и размером плодов, синхронизированным созреванием и плодами, подходящими для механизированной уборки, что повысит производительность на единицу земли, сохранит естественные экосистемы и снизит потребность в рабочей силе.
Например, томат смородиновый (Solanum pimpinellifolium) дает съедобные плоды и демонстрирует высокую устойчивость к солям и бактериальным заболеваниям; однако, мелкие плоды, неоптимальный рост и цветение ограничивают его крупномасштабное выращивание. Редактирование CRISPR–Cas ортологов SELF-PRUNING (SP), SELF-PRUNING 5G (SP5G), MULTIFLORA (MULT), OVATE (OV), LYCOPENE BETA CYCLASE 1 (LCY-B1) и GDP-L-GALACTOSE PHOSPHORYLASE 1 (GGP1) позволило получить линии томата смородинового с улучшенными привычками роста и цветения, а также крупными плодами с высоким содержанием ликопина и витамина C.
Систематическая характеристика болезней культур семейства пасленовых внесла большой вклад в наше современное понимание вирусного разнообразия. Вирусные агенты, впервые обнаруженные у хозяев семейства пасленовых, принадлежат к дивергентным вирусным таксонам, представляющим более 20 родов вирусов и катализирующим последующие исследования.
Например, картофельный вирус Y (PVY) был первым обнаруженным членом рода Potyvirus, крупнейшей группы растительных РНК-вирусов, и сыграл важную роль в идентификации вирусов из других семейств хозяев, которые в настоящее время составляют 85% видового богатства Potyvirus. Аналогичным образом, вирусы, обнаруженные у хозяев, не относящихся к семейству пасленовых, в настоящее время составляют ~95% видового богатства рода Potexvirus, которое было установлено после открытия картофельного вируса X (PVX).
По состоянию на декабрь 2023 года характеристика вирома семейства пасленовых привела к первому открытию 366 видов вирусов, отнесенных к одному орфанному и 51 признанному роду, что подтверждает значительный вклад ( P < 0,01) семейства пасленовых в современные знания о вирусосфере растений.
Эти приобретенные знания стимулировали разработку многочисленных биотехнологических приложений.
С 2015 года мягкие изоляты вируса мозаики пепино (PepMV; род Potexvirus) поступают в продажу в качестве перекрестных защитных агентов, которые защищают тепличные томаты от более серьезных инфекций.
В том же году природный изолят мягкого зеленого вируса мозаики табака (TMGMV; род Tobamovirus) был зарегистрирован в качестве биогербицида для борьбы с инвазивным сорняком тропическим содовым яблоком (Solanum viarum).
Достижения в области обратной генетики вирусов с отрицательной цепью РНК, включая вирусы семейств Rhabdoviridae и Tospoviridae, привели к появлению вирусных векторов с беспрецедентной грузоподъемностью и стабильностью. Они позволяют доставлять в растительные клетки большие кассеты CRISPR–Cas (~4,5 кб) для одновременной экспрессии gRNA вместе с нуклеазами Cas9 или Cas12 и их сконструированными версиями редактора оснований.
Вирусная синтетическая геномика - это зрелая область, а технологии RVT позволяют перепрограммировать агрономические признаки у пасленовых. Стратегии, основанные на RVT, могут повысить производительность недоиспользуемых культур, обеспечивая немедленные выгоды для местных продовольственных систем, а также улучшить характеристики уже существующих культурных сортов.
В заключение, технологии RVT предлагают высокопроизводительные инструменты для доставки экзогенных последовательностей в растительные клетки, функция, которая широко используется как в фундаментальных, так и в прикладных исследовательских приложениях. Простота проектирования и быстрое прототипирование систем сконструированных вирусов способствуют повышению гибкости и снижению затрат на разработку технологий.
По статье, опубликованной Китайской академией наук и Horticulture Research.
Источник фото: Horticulture Research (2024). DOI: 10.1093/hr/uhae205.
