Ученые предлагают обратить внимание на редактирование генов не только растений, но и их микробов-симбионатов для получения супер-питательных и урожайных культур

Международная группа ученых -Мохаммадхоссейн Раванбахш, Ковальчук Георгий, Александр Жуссе – в сотрудничестве с коллегами из Утрехтского университета, опубликовали на портале New Phytologist научную работу об улучшении сельхозкультур посредством редактирования микробиома, сопутствующего растению. Вот что, в частности, пишут авторы.

«Выращивание лучших культур имеет важное значение для прокормления растущего населения при сохранении природных ресурсов. Продовольственная безопасность - это сложный вопрос, охватывающий не только количество, но и качество продуктов питания.

Например, значительная часть мирового населения уже страдает от хронического дефицита питательных микроэлементов и витаминов, несмотря на потребление достаточного количества калорий. Дефицит микронутриентов, таких как железо (Fe), цинк (Zn) и медь (Cu), является одним из наиболее распространенных и особенно проблематичным у детей и беременных женщин, вызывая серьезные проблемы со здоровьем и нарушение развития плода. В то же время по-прежнему в обществе присутствует недоедание, от которой страдают более двух миллиардов человек в мире».

Агронаукой предложено несколько подходов для решения задач, но все существующие стратегии имеют технические, экономические или нормативные ограничения, препятствующие их полной реализации. Например, генетическое улучшение растений может помочь в создании более питательных культур, но целевому выращиванию ГМ-культур часто препятствуют технические ограничения и нормативные барьеры, да и селекция сосредоточена на нескольких модельных сортах, которые могут не соответствовать условиям окружающей среды, где эти культуры больше всего необходимы.

Фермерам, а в конечном итоге, и потребителям, нужны доступные, гибкие и простые стратегии.

«Мы считаем, что перенос усилий по генетическому улучшению с растений на холобионты (прим.ред. – симбиотические партнеры) может предложить новое решение этой давней проблемы.  – Пишут авторы. - Как внутри, так и снаружи растения заселяются мириадами бактерий, грибов и простейших, что серьезно влияет на рост и физиологию растений. Было показано, что связанный с растением микробиом обеспечивает важную степень фенотипической изменчивости для растения, влияя на характеристики растения, связанные с распределением ресурсов, временем цветения или стрессоустойчивостью.

Поэтому создание микробиома предлагает многообещающий подход к изменению свойств растений, дополняющий селекцию растений. Однако целенаправленная модификация микробиома остается трудным процессом. Мы объясняем эти трудности ограниченной интеграцией знаний в различных областях физиологии растений и взаимодействий между растениями и микробами».

«К селекции культур уже давно подходят с точки зрения строгой ориентации на растения, стремясь изменить специфические для растений черты путем воздействия на геном. Гормональные сигнальные сети растений являются многообещающей мишенью для таких селекционных стратегий, поскольку небольшие изменения в их регуляции могут иметь глубокое влияние на стратегии жизненного цикла растений на всех стадиях роста.

Однако растет понимание того, что гормональная передача сигналов растений – это не инкапсулированный процесс, но результат признаков, закодированных как в геноме растений, так и в связанных с ними микроорганизмах.

Таким образом, регулирование многих гормонов растений является очень проницаемым, при этом гормоны и их предшественники продуцируются, обмениваются и разлагаются как растениями, так и связанными с ними микроорганизмами.

В результате к гормональным сетям растений лучше всего подходить на уровне холобионтов, как к совместному производству признаков, кодируемых растениями и микробиомами.

Здесь мы предполагаем, что подход к взаимодействиям между растениями и микробами с точки зрения регуляторной сети может предложить новый способ разработки фенотипа растений путем воздействия на встречающиеся в природе микроорганизмы.

Подход открывает новые возможности для управления взаимодействиями между растениями и микробами, ориентируясь на особенности растений с помощью целенаправленной геномной селекции микробов.

Уже давно сообщалось, что микроорганизмы модулируют развитие растений и в последние десятилетия их все чаще исследуют в качестве замены химических средств защиты растений.

Однако микробиологические применения часто дают противоречивые результаты в полевых условиях. Мы приписываем этот эффект традиционной классификации микроорганизмов как отдельных «полезных» или «вредных» видов, часто игнорируя их сильное влияние, зависящее от хозяина и условий, на развитие растений.

Настоящая работа является кульминацией усилий, направленных на то, чтобы лучше совместить регуляцию гормонального баланса между растениями и микробами.

Согласно результатам нашей работы и нашей концептуальной модели, гормональный баланс растений является результатом взаимосвязанной регуляторной сети растений и микробов, которую можно изменять, изменяя конкретные гены растений или микробов. Учитывая относительную легкость микробных манипуляций, мы ожидаем, что такая концепция холобионта не только способна надежно предсказать фенотип растений, но также открывает новые возможности для генетической инженерии растений, вмешиваясь на уровне микробиома, а не на уровне генома растения. Настоящая работа является первой демонстрацией того, что концепция разведения холобионтов может быть применена для получения желаемого фенотипа.

Эта работа добавляет важный шаг к нашей цели - вывести микробы из контекста чисто качественного воздействия на рост растений в сторону предсказуемой структуры, связывающей микробы с фенотипом растений в конкретных условиях окружающей среды.

Поскольку генетическое улучшение растений - это утомительный и дорогостоящий процесс с практической и нормативной точек зрения, изменение связанных микроорганизмов обеспечивает кратчайший путь к более быстрым и легко настраиваемым стратегиям улучшения растений.

Это исследование основывается на упрощенной минимальной системе холобионтов с одним растением (резуховидка Таля) и одной бактерией (P. putida UW4, колонизирует корни), что позволяет нам распутать эффекты мутаций у растений и бактерий.

Однако в естественных системах и в полном масштабе холобионтов следует принимать во внимание сложное межвидовое взаимодействие и ответы, специфичные для растений.

С точки зрения растений, многие гены A. thaliana имеют гомологов в сельскохозяйственных культурах, поэтому мы ожидаем, что результаты могут быть легко переведены на другие системы производства.

В природе, где растения связаны с многовидовым микробиомом, настоящая работа предоставит рекомендации по выборочному улучшению свойств на уровне микробиома. Например, более высокая пищевая ценность может быть достигнута путем изменения состава микробиома, чтобы уменьшить количество продуцентов АЦК дезаминазы или увеличить количество продуцентов этилена.

Подчеркивая важность функционирования этиленовой передачи сигналов в растительном холобионте, эта работа способствует увеличению числа исследований, призывая к переоценке того, что составляет полезное взаимодействие растений и микробов.

Приближение к гормональному балансу растений как результату взаимосвязанной регуляторной сети растений и микробов открывает новые перспективы в управлении фенотипом растений путем совместного рассмотрения генов растений и связанных с ними микробов.

Такая основанная на фактах структура, вероятно, будет способствовать руководству зарождающимися технологиями инженерии микробиома путем прогнозирования желаемых комбинаций признаков, которые необходимо проявить для получения желаемого фенотипа растения».

Штаммы бактерий предоставил профессор Бернард Глик, факультет биологии Университета Ватерлоо, Онтарио, Канада.

(Источник: nph.onlinelibrary.wiley.com).