Ученые ТГУ редактируют гены растений, повышая их устойчивость к стрессу

К разработке технологии геномного редактирования CRISPR/Cas9 для повышения устойчивости сельхозкультур к засухе, засолению, высоким и низким температурам, которыми грозит глобальное изменение климата, первыми в России приступили ученые Биологического института (БИ) Томского государственного университета (ТГУ), 16 июня сообщает пресс-служба вуза.

Сотрудник лаборатории инженерной биологии растений БИ ТГУ, исполнитель проекта Марина Ефимова рассказала:

«Глобальные изменения климата сопровождаются нарушением экологического водного баланса окружающей среды, увеличением засоленных территорий и ростом нестабильности температуры. 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».

Традиционная селекция требует длительного времени выработки у растения требуемых качеств. Чтобы вывести сорт с нужными свойствами, может потребоваться более 10 лет, причем успеха можно и не достигнуть.

Классическая генная инженерия, приведшая к созданию трансгенных растений, имеет недостатком то, что внедрение трансгенов в геном хозяина идет «вслепую», что может привести к нарушению стабильности и экспрессии генома и в результате к изменению клеточного метаболизма.

Вставка может интегрироваться не в тот участок генома, который был запланирован при эксперименте. Это может сформировать нежелательные свойства, особенно в случае съедобных видов сельскохозяйственных культур.

«Новейшим направлением инженерной биологии является система CRISPR/Cas9, которая позволяет очень точно редактировать нужный ген. 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», — рассказала Марина Ефимова о третьем методе получения требуемых свойств у растения.

В природе есть микроорганизмы с очень высокой стрессоустойчивостью, например, к отсутствию кислорода или высоким температурам и другим опасным факторам. Система CRISPR/Cas9 позволяет интегрировать ген бактерии, отвечающий за проявление этих признаков, в нужное место генома растения.

В рамках своего проекта ученые ТГУ выявляют основные гены, определяющие устойчивость растений к засухе, засолению, нежелательным температурам. Гены, определяющие устойчивость к стрессорам, подразделяются на активаторы, усиливающие устойчивость, и репрессоры — снижающие ее, пояснила Марина Ефимова.

С помощью CRISPR/Cas9 можно или «выключить» репрессор, повысив устойчивость растения к определенному фактору или их набору, или 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», — продолжила свои объяснения Ефимова.

В своем проекте ученые выбрали для геномного редактирования общепринятый модельный генетический объект — растение резушка Таля (Arabidopsis thaliana, семейство капустные), геном которого практически полностью секвенирован и содержит более 25000 генов. Именно арабидопсис был первым выращен в космосе на орбитальной станции «Салют-7».

Главной задачей эксперимента ученые поставили формирование у растения сверхспособности к сохранению влаги. Одновременно такое свойство позволит растению противостоять, например, засолению почвы, так как эта проблема вызывается нехваткой воды.

Обычно используемые для геномного редактирования специальные частицы золота, которыми нокаутируют гены-мишени, перестали поставлять в Россию. Поэтому ученые ТГУ будут использовать подход floral dip, разработанный в Новосибирске.

«Его суть заключается в том, — рассказывает Марина Ефимова, — 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».

Для оценки успешности внедрения генома в привносимую генную конструкцию введен красный флюоресцирующий белок. Если оболочки семян растения светятся красным цветом, то трансформация прошла успешно. Метод floral dip доказал свою высокую результативность и при этом не требует дополнительного оборудования.

В настоящее время выращивание растений с отредактированным геномом в открытом грунте не разрешено, хотя, в отличие от генномодифицированных, они не несут чужеродной ДНК.

Поскольку России сейчас недоступны огромные банки семян в других государствах, страна нуждается в создании своих хранилищ с широким биоразнообразием растений, обладающих улучшенными пищевыми и техническими характеристиками. Поэтому работа ученых БИ ТГУ станет вкладом в будущую продовольственную безопасность жителей России.