Ученые из Сколтеха впервые в России применили технологию CRISPR-Cas для редактирования генома пшеницы – была модифицирована область гена, отвечающего за термочувствительную мужскую стерильность. В ходе эксперимента были созданы новые линии пшеницы с измененной структурой колосьев, которые формируют в два раза больше зерен с одного колосья. Эта разработка позволяет создавать новые сорта с улучшенной урожайностью на существующих площадях посева.
Изучение проводилось в отношении гена, выполняющего функцию термочувствительной мужской стерильности, подобно тому, как это происходит у риса. Сложность генетического строения пшеницы, являющейся гексаплоидом и содержащей три генома, привела к тому, что ученые получили обширную коллекцию растений с разнообразными мутациями. Помимо создания запланированных линий, демонстрирующих термочувствительность, в ходе эксперимента был обнаружен неожиданный, но весьма значимый эффект: у некоторых мутантов трансформировалась структура колоса.
«Нам удалось создать впечатляющую, многообразную группу мутировавших растений. В фитотроне уже наблюдаются экземпляры с повышенным количеством зерновок. С одного небольшого колоса мы получаем шесть зерен, в то время как обычно их две или четыре. Пока неясно, какие окажутся более ценными – намеченные стерильные линии или эти новые формы. Мы рассматриваем это как значительный успех», — так результаты исследования рассказала профессор Сколтеха Елена Потокина, руководитель агротехнологического направления в Центре био- и медицинских технологий института и научный руководитель проекта.
Для создания мутантных линий исследователи применяли CRISPR-Cas9, биобаллистическую трансформацию и культуру тканей, изменяя ген TGMS5. По прогнозам, при температуре ниже 22 °C растения сохраняют фертильность, а при температуре выше 28 °C проявляют признаки женских особей, что открывает возможность для организации контролируемого перекрестного опыления без необходимости ручного вмешательства.
Основное достоинство данной работы заключается не в простом использовании метода CRISPR-Cas, а в его успешной модификации для конкретного вида сельскохозяйственных растений. Четыре года потребовались ученым на создание технологии, обеспечивающей возможность внесения точечных изменений в геном пшеницы.
«Технология CRISPR-Cas получила широкую известность и признание, вплоть до присуждения Нобелевской премии, однако ее применение в сельскохозяйственных культурах, например, в пшенице, представляет собой весьма сложную задачу. После четырех лет работы нам удалось создать технологию, которая оказалась эффективной. Благодаря отработанному методу открываются возможности для получения генетического разнообразия, ранее недоступного, поскольку селекция традиционно опиралась на генетические ресурсы растений, хранящиеся в специализированных хранилищах, но теперь у нас есть инструмент для самостоятельного создания этого разнообразия», — объяснил Аджаз Шафи, разработчик новой технологии и младший научный сотрудник Центра био- и медицинских технологий Сколтеха.
Полученные растения нельзя считать генетически модифицированными в привычном понимании. Изменение их генетического материала осуществлялось без применения агробактерии, с использованием метода генной трансформации посредством генной пушки. В будущих поколениях исследователи выберут только те линии, которые обладают нужными мутациями, но при этом не содержат остатков вспомогательных генетических элементов.
Учёные акцентируют внимание на важности этой работы для сельского хозяйства России и всего мира, особенно в связи с климатическими изменениями. Помимо пшеницы, в лаборатории активно ведутся исследования по генетической модификации сои, подсолнечника и гуара – культуры, которую стремятся приспособить к российским условиям.
«В связи с ускоряющимися изменениями климата возникает необходимость в выборе между яровой и озимой пшеницей. Наша работа соответствует потребностям промышленности, и мы прогнозируем увеличение спроса на конкретные сорта. Разработанные мутантные линии, обладающие измененной структурой колоса, представляют собой важный этап в создании сортов с существенно повышенной урожайностью, – отметила Юлия Баймлер, исследователь и заместитель директора по развитию Центра био- и медицинских технологий Сколтеха.
На данный момент исследователи планируют перейти к следующему этапу работы: они будут культивировать следующее поколение измененных растений при различных температурах, чтобы оценить устойчивость полученных характеристик.