Многовековая садоводческая техника — прививка — вновь привлекает внимание как потенциально революционный метод редактирования генов широкого спектра растений, особенно тех, которые оказались трудно или невозможно изменить с помощью традиционных подходов. Эта инновационная стратегия может значительно повысить сельскохозяйственную продуктивность и питательную ценность, а также снизить воздействие сельского хозяйства на окружающую среду и решить проблему растущих цен на продукты питания.
Сложность редактирования генов растений
Возможность точного изменения генетики растений с помощью технологий редактирования генов, таких как CRISPR, предлагает мощный инструмент для повышения урожайности и устойчивости сельскохозяйственных культур. Однако модификация растений может быть технически сложной задачей. В отличие от клеток животных, растительные клетки обладают жесткими клеточными стенками, что затрудняет введение генетического материала. Текущие методы генетической инженерии, такие как обстрел ДНК-покрытых микрочастиц (биобаллистика) или использование бактерии Agrobacterium, часто требуют регенерации целых растений из модифицированных клеток. Этот процесс неэффективен для многих важных видов, включая какао, кофе, подсолнечник, маниок и авокадо.
Регуляторные барьеры и альтернативные подходы
Даже когда редактирование генов действительно работает, существует еще одна проблема: регулирование. В некоторых странах небольшие, естественно возникающие мутации, вызванные редактированием генов, рассматриваются как стандартное селекционирование растений, минуя длительные и дорогостоящие регуляторные испытания. Однако такие методы, как биобаллистика и Agrobacterium, часто вводят дополнительную ДНК в геном растения, что приводит к полному и более строгому процессу регуляторного рассмотрения. Ученые активно ищут альтернативные стратегии, которые позволяют обходить эту проблему, обеспечивая редактирование генов без введения чужеродной ДНК.
Одним из вариантов является использование вирусов для доставки РНК, кодирующей компоненты CRISPR. Однако Cas9-белок, ключевой элемент в наборе инструментов CRISPR, относительно велик, что ограничивает последовательности РНК, которые можно эффективно транспортировать с помощью большинства вирусов.
Прививка и РНК: Новое сочетание
В 2023 году исследователи из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка представили многообещающий новый подход. Учитывая, что растения вырабатывают особый тип РНК в своих корнях, которая может перемещаться по всему растению и проникать в клетки побегов и листьев, они генетически модифицировали растения для производства такой РНК. Эта РНК кодировала два критических компонента CRISPR: Cas-белок, выполняющий редактирование, и направляющую РНК, которая направляет его в целевое местоположение. Затем они прививали побеги немодифицированных растений на корни этих модифицированных растений, успешно добившись редактирования генов в некоторых побегах и семенах.
Расширение возможностей с помощью прививки
Уго Рого из Университета Пизы, Италия, и его коллеги считают, что эта техника обладает огромным потенциалом и опубликовали статью, призывающую к дальнейшей разработке. «Прививка дает нам возможность использовать систему CRISPR в деревьях или в растениях, таких как подсолнечник», — объясняет Рого.
Преимущество прививки заключается в ее способности соединять относительно далекие друг от друга растения. Например, побеги томата можно успешно прививать на корнесобственные подливы картофеля. Это означает, что даже если невозможно генетически модифицировать корнесобственный подлив подсолнечника непосредственно для редактирования генов, ученые могли бы потенциально генетически модифицировать родственный вид для создания совместимого корнесобственного подлива.
Универсальный корнесобственный подлив для редактирования генов
Как только подходящий корнесобственный подлив, способный производить необходимую РНК CRISPR, будет создан, его можно будет использовать для редактирования широкого спектра растений. «Вы можете использовать корни для доставки Cas9 и направляющих последовательностей редактирования к самым разным элитным сортам», — отмечает Джулиан Хибберд из Кембриджского университета.
Ральф Бок, также из Института Макса Планка, подчеркивает эффективность этого метода: «Создание трансгенного корнесобственного подлива не требует больших усилий, поскольку его нужно сделать всего один раз, а затем использовать навсегда и для нескольких видов».
В качестве конкретного примера, только несколько сортов винограда, такие как Шардоне, могут регенерировать из отдельных клеток и подходят для генетической модификации. Однако, как только болезньюстойчивый корнесобственный подлив Шардоне будет создан с помощью редактирования генов, его можно будет использовать для всех сортов винограда.
Объединение подходов для большей гибкости
Рого представляет будущее, в котором прививка будет объединена с доставкой вирусов, максимизируя гибкость. Корнесобственные подливы могли бы доставлять большие последовательности мРНК, необходимые для Cas9, в то время как вирусы могли бы обеспечивать меньшие направляющие РНК. Эта интегрированная стратегия позволила бы использовать один и тот же корнесобственный подлив для широкого спектра генетических редактирований, обеспечивая невероятно универсальный инструмент для улучшения растений.
Инновационная техника прививки предлагает практичное и масштабируемое решение для расширения возможностей редактирования генов, обещая новую эру сельскохозяйственных достижений и большей продовольственной безопасности для растущего мира.
