Исследователи из Тель-Авивского университета разработали метод генетического редактирования, адаптированный для сельскохозяйственных растений. Этот метод повлиял на различные признаки растений томата, включая вкус и форму плодов. Учёные считают, что инновационная технология может быть применена к широкому спектру сельскохозяйственных культур и в конечном итоге будет использоваться для культивирования новых и улучшенных сортов растений.
Профессор Эйлон Шани, профессор Итай Майроуз и аспирант Амичай Берман (Школа наук о растениях и продовольственной безопасности Тель-Авивского университета) вместе с аспирантом Нин Су и доктором Юцинь Чжан (Университет Китайской академии наук в Пекине), а также доктором Оснат Янаи из израильской агротехнологической компании NetaGenomiX возглавили исследование. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Профессор Шани объясняет: «Мы продемонстрировали, что с помощью нашей технологии можно отбирать конкретные признаки и влиять на них. Эта возможность имеет важное значение для развития сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности».
Метод CRISPR-Cas9
Одним из методов, описанных в исследовании, является CRISPR-Cas9, который произвёл революцию в области генетического редактирования, позволив точно модифицировать определённые гены в геноме. Однако в сфере сельскохозяйственного развития этот метод столкнулся с рядом фундаментальных проблем.
Хотя технология CRISPR позволяет проводить целенаправленное редактирование генов, до недавнего времени эта возможность была ограничена по масштабам — количество генов, которые можно было редактировать и изучать, было очень небольшим.
В текущем исследовании учёные значительно улучшили эффективность метода, что позволило им изучить роль тысяч генов. Многие растения демонстрируют «генетическую избыточность»: разные гены из одного семейства, состоящие из сходных последовательностей аминокислот, компенсируют друг друга и сохраняют признак, даже если один ген деактивирован или отредактирован.
Преодоление генетической избыточности
Для преодоления генетической избыточности исследователи стремились одновременно изменить целые семейства сходных генов. В предыдущем исследовании они разработали прорывное решение для преодоления проблемы генетической избыточности — специальный алгоритм. Им подали список тысяч генов, которые они хотели отредактировать.
Алгоритм определил подходящую единицу CRISPR для каждого гена (или группы генов) в списке, которая индуцировала бы желаемую модификацию, тем самым создав библиотеки CRISPR. Первое исследование показало хорошие результаты на модельном растении Arabidopsis thaliana, и на этот раз учёные впервые решили проверить метод на сельскохозяйственном растении. Выбор пал на томат.
В текущем исследовании учёные создали 10 библиотек, включающих примерно 15 000 уникальных единиц CRISPR, нацеленных на геном томата. Каждая единица была разработана так, чтобы воздействовать на определённую группу генов из одного семейства. Затем они использовали эти единицы CRISPR для внесения правок примерно в 1300 растениях томата, причём каждое растение имело изменения в другой группе генов.
Исследователи отслеживали развитие каждого растения, чтобы выяснить, появились ли выбранные изменения в размере, форме, вкусе плодов, использовании питательных веществ или устойчивости к патогенам. Действительно, учёные выявили несколько линий со сладким вкусом ниже или выше, чем у контрольных растений.
Профессор Шани заключает: «В этом исследовании, используя наш инновационный метод, мы успешно внесли целенаправленные генетические изменения в семейства генов растения томата и определили, какие именно генетические правки дали желаемый результат».
Израильская агротехнологическая компания NetaGenomiX получила лицензию на коммерциализацию новой технологии с целью продвижения продовольственной безопасности путём разработки культур, не являющихся генетически модифицированными организмами (ГМО), и адаптированных к меняющемуся климату, что принесёт пользу как фермерам, так и потребителям.
Берман добавляет: «Мы считаем, что наше исследование открывает двери для выведения улучшенных сортов для широкого спектра сельскохозяйственных культур, а также продвигает область науки о растениях в целом. В последующих исследованиях мы работаем над развитием дополнительных выбранных признаков у томата и риса».
Предоставлено Тель-Авивским университетом.