Ученые «нокаутируют» гены, чтобы повысить устойчивость растений к стрессу

Изменение климата повышает и без того серьезную угрозу голода, стоящую перед человечеством. Согласно прогнозам ООН в 2050 году численность жителей планеты составит 9,7 миллиарда человек, что потребует значительного увеличения производства продуктов питания. Повысить урожайность сельхозкультур ученые ТГУ планируют за счет использования технологии геномного редактирования CRISPR/Cas9. С ее помощью они впервые в России будут редактировать геномы растений, чтобы повысить их устойчивость к засухе, засолению, высоким и низким температурам. Проект реализуется при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030».

– Глобальные изменения климата сопровождаются нарушением экологического водного баланса окружающей среды, увеличением засоленных территорий и ростом нестабильности температуры, – говорит исполнитель проекта, сотрудник лаборатории инженерной биологии растений Биологического института ТГУ Марина Ефимова. – Нехватка воды стала общечеловеческой проблемой, а засуха и засоление превратились в ключевой фактор, препятствующий развитию сельского хозяйства. Повышение засухо- и солеустойчивости сельхозкультур с высокой пищевой и технической ценностью (злаки, лён и другие) может быть достигнуто за счет трех методов: традиционной селекции, классической генной инженерии и геномного редактирования.

Минусом традиционной селекции являются длительность процесса. На то, чтобы вывести сорт с нужными свойствами, может уйти 10 лет и более, при этом успех не гарантирован.

Классическая генная инженерия внесла существенный вклад в получение трансгенных растений. Но недостатком технологии является то, что внедрение трансгенов в геном хозяина проводится «вслепую», и следствием может быть нарушение стабильности и экспрессии генома и изменение клеточного метаболизма. Например, вставка может интегрироваться не в тот участок, который был запланирован, и привести к проявлению нежелательных свойств. Поэтому применение такого инструмента содержит потенциальные риски, это нужно иметь ввиду, когда речь идет о съедобных видах сельскохозяйственных культур.

– Новейшим направлением инженерной биологии является система CRISPR/Cas9, которая позволяет очень точно редактировать нужный ген, – объясняет Марина Ефимова. – Одним из значимых достоинств системы также является то, что она позволяет производить сайт-специфическое встраивание конструкции в геном, одновременно редактировать активность нескольких генов – и полученные растения могут не содержать чужеродных фрагментов ДНК.

Например, существуют микроорганизмы с очень высокой устойчивостью к разным стрессовым условиям – отсутствию кислорода, высоким температурам и прочему. С помощью системы CRISPR/Cas9 можно ген бактерии, отвечающий за проявление этих признаков, интегрировать в нужное место генома растения. В новом проекте ученые ТГУ идентифицируют ключевые регуляторные гены, определяющие толерантность растений к засухе, засолению, повреждающим температурам.

– Гены определяют устойчивость к стрессорам: одни гены ее усиливают (активаторы), другие ослабляют (репресссоры), – рассказывает Марина Ефимова. – В одном случае мы можем с помощью CRISPR/Cas9 в режиме knock-out «выключить» репрессора и тем самым повысить устойчивость растения к определенному фактору или набору факторов. Либо можем усилить экспрессию активатора устойчивости. Эти манипуляции с геномом позволят нам изучать способы повышения устойчивости с помощью, например, фитогормонов. В нашем проекте ученые будут изменять сигнальные пути фитогормонов, это позволит получать растения с заданными свойствами.

Объектом геномного редактирования станет растение резушка Таля, известная как арабидопсис (Arabidopsis thaliana, семейство капустные). Это общепринятый модельный генетический объект, геном которого практически полностью секвенирован и насчитывает более 25000 генов. Резушка Таля стала первым растением, которая была выращена в космосе на орбитальной станции «Салют-7».

Как отмечают ученые, главная задача редактирования генома – сформировать у растения сверхспособности к сохранению влаги. Этот навык поможет противостоять и другим стрессам, например, хлоридному засолению, поскольку эта проблема также обусловлена нехваткой воды.

Для нокаутирования генов-мишеней ученые будут использовать не привычные методы, а подход, разработанный в Новосибирске. Традиционно для внедрения нового гена в объект используются «генные пушки», из которых стреляют частицами вольфрама или золота, на поверхность которых наносится ДНК с необходимыми генными конструкциями. С помощью «генной пушки» частицами обстреливают ткани растений. Сила выстрела подбирается таким образом, чтобы частицы смогли пройти через клеточные стенки и доставить чужеродную ДНК в ядро клетки.

– Частицы золота для геномного редактирования в сегодняшних условиях недоступны. Их перестали поставлять в Россию, – говорит Марина Ефимова. – Мы планируем использовать метод floral dip. Его суть заключается в том, что цветонос растения (до раскрывания) опускается в агробактериальную суспензию. ДНК из суспензии проникает в зародышевый мешок, попадает в ядро и затем интегрируется в растительный геном. Одним из свойств привнесенной генной конструкции является наличие красного флюоресцирующего белка. Свечение оболочек семян растения красным цветом свидетельствует об успешной трансформации. Метод floral dip является очень результативным и не требует дополнительного оборудования.

Стоит отметить, что выращивание растений с отредактированным геномом в открытом грунте, в настоящее время не разрешено. При этом известно, что растения и животные с отредактированным геномом не содержат чужеродной ДНК, поэтому не несут в себе таких рисков, как генномодифицированные. Как отмечают ученые, России сейчас недоступны огромные банки семян, которые есть у других стран, потому государство нуждается в создании своих хранилищ, где будет широко представлено биоразнообразие растений с улучшенными пищевыми и техническими характеристиками. Поэтом работа ученых БИ ТГУ – это работа на будущее, на обеспечение продовольственной безопасности россиян.