Овес посевной (Avena sativa L.), злак мирового значения, относится к семейству злаков Aveneae, что отличает его от пшеницы, ржи, ячменя и риса. Это отличие объясняет его уникальные характеристики, такие как высокое содержание β-глюкана и масла, особый состав жирных кислот и отсутствие глютена, что делает его пригодным как для потребления человеком, так и для корма животных.
С 1870-х годов программы селекции овса достигли значительных улучшений в различных признаках, включая устойчивость к болезням, урожайность, качество помола и содержание β-глюкана. Однако этот процесс остается длительным, трудоемким и громоздким. Недавнее расшифровывание огромного генома овса размером 12,5 Гб выявило селекционные барьеры из-за предковых крупномасштабных транслокаций и инверсий. Следовательно, традиционная интрогрессия признаков посредством селекции не может быть достигнута из-за подавления рекомбинации и псевдосцепления в таких генетических локусах.
Это подчеркивает настоятельную необходимость использования новейших технологий редактирования генома для улучшения овса, которые обладают наибольшим потенциалом для изменения специфических функций генов и введения аллельного разнообразия.
За последнее десятилетие система «генетических ножниц» Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)-Cas9 широко использовалась для улучшения урожая и функциональной геномики всех других злаков, за исключением овса. Его большой повторяющийся геном с тремя субгеномами, отсутствие эффективной трансформации, неподатливая природа и сложный молекулярный скрининг из-за избыточности генов являются основными препятствиями для успеха редактирования генов.
Исследователи из Университета Макгилла, Канада, сообщают о первом успешном редактировании генов на основе CRISPR-Cas9 в овсе, в результате которого были получены делеции и вставки.
Чтобы проверить, может ли система CRISPR-Cas9 производить целевое редактирование генов в овсе, были разработаны различные одиночные направляющие РНК (sgRNA) для нацеливания на тауматин-подобный белок 8 (TLP8), яровизацию 3 (VRN3) и яровизацию 3-D (VRN3D) в гексаплоидном овсе.
TLP8 тесно связан с β-глюканом, основным полезным для сердца волокном, которое делает овес ценным для потребления человеком. Одновременно с этим VRN3 является членом семейства PEBP (фосфатидилэтаноламин-связывающий белок) и был сопоставлен с QTL, связанным с высотой растения, содержанием масла и другими важными признаками, связанными с урожайностью овса.
Стоит отметить, что VRN3D находится в рекомбинационно-супрессированной области на инвертированной хромосоме 7D, что делает его интересным кандидатом для редактирования генов.
Зрелые семена гексаплоидного сорта ярового овса Парк (Park) были выбраны для трансформации из-за недавнего успеха в лаборатории Университета Макгилла с введением элементов Ac/Ds и уточнением состава жирных кислот с помощью бомбардировки частицами.
«Используя CRISPR-Cas9, мы смогли внести очень специфические генетические изменения в овес, на достижение которых с помощью традиционной селекции ушли бы годы. Наш метод не только ускоряет процесс селекции, но и позволяет нам избегать внедрения чужеродной ДНК в растения, делая их более безопасными и приемлемыми для потребителей», - рассказал руководитель исследования Джасвиндер Сингх, профессор кафедры растениеводства.
Вкратце, исследователи сосредоточились на генах, связанных с такими ключевыми признаками овса, как развитие метелки (расположение семенных головок), зрелость растения и содержание бета-глюкана, который известен своими полезными для здоровья свойствами.
Команда использовала метод, называемый биолистической доставкой (генная пушка), для введения компонентов CRISPR-Cas9 в клетки овса. Это привело к изменениям в растениях, которые могли бы иметь значительные реальные преимущества.
Одним из самых интересных результатов стало создание нового вегетативного фенотипа: растения росли по-другому и могли давать более высокие урожаи. Ученые также выявили растения овса с измененным временем цветения, что предполагает возможность выведения сортов овса, созревающих раньше или позже, в зависимости от потребностей фермера и местного климата.
«Этот прорыв невероятно важен для адаптации к климату. Разрабатывая овес, который созревает раньше или может выдерживать более холодные условия, мы помогаем фермерам в регионах с коротким вегетационным периодом или непредсказуемыми погодными условиями выращивать более надежные и устойчивые культуры», - сказал Мехтаб Сингх, аспирант и ведущий автор статьи.
Исследователи утверждают, что быстро созревающий овес однажды поможет сократить потребность в химикатах, используемых для ускорения сбора урожая, решив проблемы с остатками и воздействием на окружающую среду.
Следует отметить, что повышение бета-глюкана в овсе важно не только для оптимизации питания людей, но и для животных. Овес используется как для жвачных, так и для моногастричных сельскохозяйственных животных, а также является зерновым ингредиентом в кормах для домашних животных, таких как кошки и собаки. Овес имеет высокое содержание жира и богат олеиновой и линолевой кислотами. Он содержит витамины B1, B2 и B6, а также A, K и E. Кроме того, включает ценные минералы, микроэлементы, антиоксиданты и стерины. По сравнению с другими злаками, овес имеет сбалансированный аминокислотный состав и более высокую концентрацию незаменимых аминокислот, таких как лизин, что делает его одним из наиболее предпочтительных кормовых ингредиентов.
Источники: McGill University, Plant Biotechnology Journal doi.org/10.1111/pbi.70146
Заглавное фото: McGill University.
