Сорняки являются одной из основных биологических угроз для мирового сельского хозяйства, вызывая ежегодные потери урожая основных культур, что приводит к значительному экономическому ущербу и угрожает продовольственной безопасности.
В глобальном масштабе сорняки ответственны примерно за 10% потерь урожая, а только в США они обходятся более чем в 26 миллиардов долларов в год на борьбу с ними и потери урожая.
Интенсивное и широкое использование химических гербицидов исторически являлось основным средством борьбы с сорняками; однако быстрое развитие устойчивости к гербицидам представляет собой все более серьезную проблему. Таким образом, существует острая необходимость в разработке новых, эффективных и эволюционно устойчивых инструментов борьбы с сорняками.
Одним из перспективных направлений в борьбе с сорняками нового поколения является использование генных драйвов — эгоистичных генетических элементов, способных быстро распространяться в популяциях, даже если они приводят к снижению приспособленности отдельных организмов.
Генные драйвы могут использоваться как для подавления, так и для модификации популяций проблемных сорняков. Например, драйв подавления может распространять вредные признаки (такие как стерильность или нежизнеспособность) для искоренения популяции инвазивных сорняков, тогда как драйв модификации может обратить вспять устойчивость к гербицидам путем распространения аллелей восприимчивости. Это открывает возможность того, что сконструированные генные драйвы однажды смогут обеспечить долгосрочные и недорогие решения для борьбы с сорняками, которые в противном случае трудно или дорого контролировать. Но не все так просто.
Два недавних исследования представили экспериментальные демонстрации систем генных драйвов CRISPR в растениях (CAIN и ClvR).
В первом в своем роде исследовании ученые смоделировали, как будет развиваться генный драйв у растений. Их моделирование предполагает, что успех генного драйва может зависеть от банков семян — подземных резервуаров семян, которые могут прорасти спустя годы или даже десятилетия. Без должного внимания, как выяснили исследователи, эти хранящиеся семена могут замедлить или даже сорвать генный драйв, поскольку они постоянно вводят в популяцию растения, у которых отсутствует генный драйв.
Как заявили исследователи, подобные исследования с использованием моделирования могут помочь ученым разработать успешные генные драйвы для растений, а также выявить и устранить потенциальные проблемы до их применения в дикой природе.
Джехи Ким, доцент кафедры вычислительной биологии в Колледже вычислительных и информационных наук им. Энн С. Боуэрс Корнельского университета и Колледже сельского хозяйства и наук о жизни (CALS), и Филипп Мессер, профессор вычислительной биологии в CALS, являются соавторами нового исследования «Покой семян влияет на динамику генного драйва у растений», опубликованного в журнале Nature Plants.
Разработка технологии редактирования генов CRISPR-Cas9, позволяющей ученым вносить точные изменения в геном, сделала генные драйвы более осуществимыми в лабораторных условиях. Однако по-прежнему существуют серьезные опасения, что они могут распространиться на нецелевые организмы и нанести экологический ущерб в дикой природе.
«Исследователи думали о генных драйвах десятилетиями, но это всегда было чем-то вроде научной фантастики. С появлением технологии CRISPR все изменилось, и разработка генных драйвов наконец-то стала достижимой. Тем не менее, остаются некоторые экспериментальные вопросы, множество вопросов моделирования, и до сих пор никто ничего толком не опубликовал», — сказал Мессер.
Недавно ученые разработали в лабораторных условиях две системы генного драйва для растений — CAIN и ClvR, — которые надежно передаются потомству и заставляют растения производить неактивную пыльцу, семязачатки или и то, и другое.
«В качестве альтернативного метода борьбы с сорняками предлагалось использовать генные драйвы, но их осуществимость в отношении определенных видов растений никогда не демонстрировалась экспериментально до появления CAIN и ClvR», — сказала Ким.
Команда Кима и Мессера разработала модель для имитации того, как эти два подхода к генному драйву будут развиваться с течением времени. Модель учитывает количество жизнеспособной пыльцы или семязачатков, производимых каждым растением, продолжительность жизни семян в семенном банке и количество прорастающих семян каждый год.
Ким отметила, что банки семян играют ключевую роль в понимании механизмов генного драйва у растений, поскольку они отличают эти растения от других видов, изучаемых учеными.
Моделирование предсказало, что генные драйвы CAIN и ClvR успешно распространят мутации в популяции. Однако чем дольше семена сохраняются в почве, тем дольше длится распространение искусственно созданных мутаций. Кроме того, ученым может потребоваться большее количество искусственно созданных семян или растений, чтобы запустить генный драйв и подавить запасённые семена, которые прорастут позже.
Несмотря на сложности, связанные с созданием банка семян, он потенциально может принести значительную пользу. Хранящиеся семена могут действовать как «эволюционный буфер», ослабляя генный драйв, чтобы он не прижился в неподходящем месте.
«Даже если растение случайно попадет в окружающую среду или произойдет распространение на нежелательную популяцию, банк семян может привести к его естественному вымиранию», — сказала Ким.
Исследователи надеются, что их модель послужит основой, которая однажды поможет полевым биологам планировать успешные, но контролируемые генные драйвы.
«Ученые обычно считают, что генные драйвы в растениях не будут работать должным образом, — сказал Мессер. — Но после этого исследования с использованием моделирования я думаю, что растения, возможно, являются одной из лучших систем для проверки генного драйва».
Источник: Cornell University. Автор: Патрисия Уолдрон.
На графике вы видите системы генного драйва. Источник: Nature Plants (2026). DOI: 10.1038/s41477-026-02256-1
