Одним из наиболее значимых факторов, снижающих урожайность агрокультур, является нехватка влаги. В условиях изменения климата засуха и засоление почв будут нарастать. В связи с этим ученые ищут пути повышения стрессоустойчивости растений. Биологи Томского государственного университета совместно с коллегами из ИЦиГ СО РАН и Института физиологии РАН делают это с помощью технологий геномного редактирования. Они модифицируют агробактерии и с их помощью обеспечивают растениям новые свойства. Исследования проводятся в рамках стратпроекта ТГУ «Инженерная биология», поддержанного федеральной программой «Приоритет 2030».
– Современное сельское хозяйство сталкивается с падением урожайности культур из-за многочисленных неблагоприятных факторов среды. Нехватка воды, ведущая к засухе и засолению почв, становится проблемой мирового масштаба, – говорит научный сотрудник кафедры физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Биологического института ТГУ Марина Ефимова. – Раньше устойчивость растений повышали методами селекции, но это долгосрочный процесс, который, как и классическая генная инженерия, уступает в эффективности геномному редактированию.
Развитие методов генной инженерии и геномного редактирования сделало возможным модифицировать гены растений, отвечающие за их устойчивость к стрессовым факторам. Проект биологов, реализуемый при поддержке программы «Приоритет 2030», направлен на поиск ключевых регуляторных генов, определяющих толерантность растений к засухе, засолению и повреждающим температурам. В качестве инструмента для выключения генов биологи используют систему редактирования CRISPR/Cas9.
– Это инновационная технология функциональной геномики, позволяющая целенаправленно вносить изменения (нокаутные мутации) в выбранные гены-мишени и выявлять важные гены-кандидаты для повышения устойчивости и урожайности растений, – объясняет Марина Ефимова. – Важно отметить, что подобные манипуляции с растениями не делают их генетически модифицированными организмами, так как в геном не вносятся чужеродные гены, что сохраняет их пищевую и экологическую безопасность.
Серия экспериментов проведена учёными на растении Arabidopsis thaliana – это классический модельный объект для исследований, так называемая «растительная дрозофила». Это первое растение, побывавшее в космосе. Его геном полностью секвенирован и проанализирован. Измененную генетическую информацию несут в себе трансформированные агробактерии, которые являются носителем редактированной последовательности генов. Их доставка в растения осуществляется путем погружения цветочных побегов (floral dip) в суспензию. Этот способ является очень результативным и, вместе с тем, не требует дополнительного оборудования.
Сами бактерии не изменяют хозяйственно-ценные признаки растения, но проникая в растения через пыльцевую трубку, передают последовательность ДНК, которая вносит мутацию в выбранный исследователем растительный ген. Семена, которые созревают после «погружения», уже отличаются от родительского растения. Так можно управлять генами, задействованными в проявлении ответных реакций растений на различные стрессовые воздействия или для изменения любых других свойств. Исследователи планируют провести испытания на растениях рапса и льна.
Добавим, что это исследование является пионерным – в настоящее время имеются лишь единичные сообщения по редактированию геномов на рисе, пшенице и томатах.
Результаты исследования «Геномное редактирование как инновационная технология управления механизмами стресс-толерантности и повышения продуктивности растений в условиях неблагоприятных изменений природной среды и климата» (№ НУ 2.1.22 ЛМУ), являющегося частью большого междисциплинарного стратегического проекта, учёные представят через полтора года.
Томского государственного университета
