Новый метод CRISPR-Combo повышает эффективность редактирования генома у растений
Десять лет назад новая технология под названием CRISPR-CAS9 позволила ученым изменить генетический код живых организмов. Каким бы революционным он ни был, инструмент имел свои ограничения, которые теперь удалось снять
Как и первые сотовые телефоны, которые могли выполнять только одну функцию, оригинальный метод CRISPR может выполнять только одну функцию: удаление или замена генов в генетической последовательности. Более поздние версии CRISPR были разработаны для другой функции, которая позволяла ученым изменять экспрессию генов, включая или выключая их, не удаляя их из генома. Но каждая из этих функций могла выполняться независимо только у растений.
Теперь ученые из Колледжа сельского хозяйства и природных ресурсов Мэрилендского университета разработали CRISPR-Combo - метод редактирования нескольких генов в растениях с одновременным изменением экспрессии других генов. Этот новый инструмент позволит комбинировать генно-инженерные комбинации, которые работают вместе для повышения функциональности и улучшения селекции новых культур, сообщает портал phys.org.
«Возможности действительно безграничны с точки зрения характеристик, которые можно комбинировать. Но что действительно интересно, так это то, что CRISPR-Combo представляет уровень сложности генной инженерии растений, которого у нас не было раньше», - сказал Ипин Ци, доцент кафедры растениеводства и ландшафтной архитектуры и соавтор исследования.
Новое исследование опубликовано в майском номере журнала Nature Plants за 2022 год.
Преимущества манипулирования более чем одним геном одновременно намного превосходят преимущества любой манипуляции по отдельности. Например, представьте себе эпидемию болезни, бушующую на пшеничных полях, угрожающую средствам к существованию фермеров и продовольственной безопасности. Если бы ученые могли удалить из пшеницы ген, делающий ее восприимчивой к фитофторозу, и одновременно включить гены, которые сокращают жизненный цикл растения и увеличивают производство семян, они могли бы быстро получить устойчивую к фитофторозу пшеницу до того, как болезнь успеет нанести ущерб.
Именно такой инженерный подход Ци и его команда продемонстрировали на четырех различных этапах экспериментов.
Ци и его команда ранее разработали новые методы CRISPR для регуляции экспрессии генов в растениях и одновременного редактирования нескольких генов. Но для разработки CRISPR-Combo им нужно было установить, что они могут выполнять обе эти генно-инженерные функции параллельно без негативных последствий.
«В качестве доказательства концепции мы показали, что можем выключить ген А и успешно активировать ген В, без случайного кроссинговера и нокаута гена В или активирования гена А», пояснил Ци.
Затем Ци и его коллеги протестировали CRISPR-Combo на растении резуховидка Таля, которое часто используют в качестве модели для основных культур, таких как кукуруза и пшеница. Исследователи отредактировали ген, делающий растение более устойчивым к гербицидам, и активировали ген, вызывающий раннее цветение, благодаря чему семена быстрее образуются. Результатом стало устойчивое к гербицидам растение резуховидки, которое дало восемь поколений за один год, а не четыре обычных.
В третьем эксперименте команда продемонстрировала, как CRISPR-Combo может повысить эффективность селекции растений с использованием культур тканей тополей. В программах селекции для выведения новых сортов растений обычно используются культуры тканей, а не семена - подумайте, как растение может отрастить корни и листья из одного стебля, посаженного в почву. Ученые генетически модифицируют стволовые клетки, способные вырасти в полноценные растения, и когда эти растения созреют и дадут семена, семена будут нести генетические модификации, внесенные в стволовые клетки.
Некоторые растения лучше регенерируют из культур тканей, чем другие, что делает этот шаг самым большим узким местом в генной инженерии сельскохозяйственных культур. Для некоторых растений вероятность успеха составляет всего 1%.
Ци и его команда устранили узкое место, сначала отредактировав несколько признаков в клетках тополя, а затем активировав три гена, которые способствуют регенерации тканей растений.
«На примере тополей мы показали, что наш новый метод может решить проблему регенерации тканей, резко повысив эффективность генной инженерии», - сказал Ци.
Быстрый способ без гормонов
В настоящее время выращивание генетически модифицированных растений из культур тканей требует добавления гормонов роста для активации генов, отвечающих за развитие.
Исследовательская группа сократила этот процесс в рисе, напрямую активировав эти гены с помощью CRISPR-Combo. В результате был получен генетически отредактированный рис из культур тканей, не требующий гормональных добавок. Ци и его коллеги обнаружили, что культуры тканей, выращенные по их методу, экспрессируют больше отредактированного гена, чем ткани, выращенные с использованием гормонов.
«Этот метод обеспечивает высокоэффективный процесс редактирования генома», - заявил Ци.
Теперь, когда команда продемонстрировала, что их метод CRISPR-Combo работает на различных растениях для различных целей, они намерены провести эксперименты на цитрусовых, моркови и картофеле. Они также работают над созданием устойчивого к гербицидам золотого риса с повышенным содержанием питательных веществ и красного риса с повышенным содержанием антиоксидантов.