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. 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.
«Возможности действительно безграничны с точки зрения характеристик, которые можно комбинировать», — сказал Ипин Ци, доцент кафедры растениеводства и ландшафтной архитектуры и соавтор исследования. «Но что действительно интересно, так это то, что CRISPR-Combo представляет уровень сложности генной инженерии растений, которого у нас не было раньше».
Преимущества манипулирования более чем одним геном одновременно могут намного перевешивать преимущества любой манипуляции по отдельности. Например, представьте себе эпидемию, бушующую на пшеничных полях, угрожающую средствам к существованию фермеров и продовольственной безопасности. Если бы ученые могли удалить из пшеницы ген, который делает ее восприимчивой к фитофторозу, и одновременно включить гены, сокращающие жизненный цикл растения и увеличивающие производство семян, они могли бы быстро получить устойчивую к фитофторозу пшеницу до того, как болезнь успеет сделать слишком много. наносить ущерб.
Именно такой инженерный подход Ци и его команда продемонстрировали на четырех различных этапах экспериментов.
Шаг первый: проверка концепции:
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 этой новой статье они продемонстрировали, что использование томатных и рисовых клеток.
«В качестве доказательства концепции мы показали, что можем нокаутировать ген А и успешно активировать или активировать ген В без случайного кроссинговера и нокаута гена В или активирования гена А», — сказал Ци.
Затем Ци и его коллеги протестировали CRISPR-Combo на цветущем растении под названием кресс-салат ( ArabidopsisI) , которое исследователи 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 кресс-салата, которое дало восемь поколений за один год, а не четыре обычных.
Более эффективное проектирование
В своем третьем эксперименте команда продемонстрировала, как CRISPR-Combo может повысить эффективность селекции растений с использованием культур тканей тополей. Селекционные программы по выведению новых сортов растений обычно используют культуры тканей, а не семена — подумайте, как растение может отрастить корни и листья из одного стебля, посаженного в почву. Ученые генетически модифицируют стволовые клетки, которые способны 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.
Короткий путь без гормонов
В настоящее время выращивание генетически модифицированных растений из культур тканей требует добавления гормонов роста, которые активируют гены, стимулирующие рост. 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 приводит к высокоэффективному процессу редактирования генома», — сказал Ци.
Теперь, когда команда продемонстрировала работу своего метода CRISPR-Combo на различных растениях для различных целей, они намерены провести эксперименты на цитрусовых, моркови и картофеле, чтобы проверить его жизнеспособность на фруктовых, овощных и основных культурах. Они также работают над созданием устойчивого к гербицидам золотого риса с повышенным содержанием питательных веществ и красного риса с повышенным содержанием антиоксидантов.
