Использование мощного инструмента для редактирования генов CRISPR-Cas9 может помочь в разведении деревьев какао, обладающих желательными признаками, такими как повышенная устойчивость к болезням, утверждают ученые штата Пенсильвания.
Какао-дерево, растущее в тропических регионах, производит какао-бобы, которые являются сырьем для шоколада. Надежная производительность растений какао имеет важное значение для многомиллиардной шоколадной промышленности, экономики стран-производителей и средств к существованию миллионов мелких фермеров, выращивающих какао.
Но каждый год несколько болезней растений серьезно ограничивают глобальное производство, при этом 20-30 процентов какао-бобов уничтожается до сбора урожая, отмечает ведущий автор Эндрю Фистер, научный сотрудник с докторской степенью в области растениеводства, Колледж сельскохозяйственных наук, штат Пенсильвания.
«В Западной Африке серьезные вспышки грибковых заболеваний могут уничтожить все плоды какао на одной ферме», - сказал Фистер. «Поскольку болезни являются постоянной проблемой для какао, повышение устойчивости к болезням было приоритетом для исследователей. Но разработка устойчивых к болезням сортов была замедлена потребностью в источниках генетической устойчивости и длительным периодом развития деревьев какао». Исследователи недавно сообщили в Frontiers in Plant Science результаты исследования, которые, как считается, были первыми, демонстрирующими возможность использования передовой технологии CRISPR для улучшения Theobroma cacao.
CRISPR означает сгруппированные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками. Это способ модификации генома организма путем точной доставки фермента Cas9, разрезающего ДНК, в целевую область ДНК. В результате изменения могут быть удалены или заменены определенные фрагменты ДНК, тем самым активизированы или отключены определенные черты.
Предыдущая работа с какао выявила ген, известный как TcNPR3, который подавляет реакцию растения на болезнь. Исследователи предположили, что использование CRISPR-Cas9 для отключения этого гена приведет к повышению устойчивости к болезням.
Чтобы проверить свою гипотезу, они использовали Agrobacterium - патоген растений, модифицированный для устранения его способности вызывать заболевание - для введения компонентов CRISPR-Cas9 в отдельные листья какао. Последующий анализ обработанной ткани обнаружил делеции в 27% копий TcNPR3. При заражении Phytopthera tropicalis, встречающимся в природе патогеном какао и других растений, обработанные листья проявляли большую устойчивость к заболеванию. Результаты показали, что мутации только части копий гена-мишени может быть достаточно для запуска нижестоящих процессов, приводящих к устойчивости растения к системным заболеваниям.
Исследователи также создали зародыши какао с отредактированными генами CRISPR, из которых они будут выращивать взрослые деревья, чтобы проверить эффективность этого подхода на уровне всего растения.
Это исследование основано на более чем 30-летних биотехнологических исследованиях, направленных на создание лучшего какао-дерева, по словам старшего автора Марка Гилтинана, профессора молекулярной биологии растений и руководителя программы исследований какао в Пенсильвании.
«Наша лаборатория разработала несколько инструментов для улучшения качества какао, и CRISPR - это всего лишь еще один инструмент», - сказал он. «Но по сравнению с обычным скрещиванием и другими методами, CRISPR ускоряет процесс и обеспечивает гораздо большую точность. Он удивительно эффективен в нацеливании на нужную вам ДНК, и до сих пор мы не обнаружили каких-либо нецелевых эффектов».
В дополнение к предоставлению нового инструмента для ускорения размножения, технология CRISPR-Cas9 может помочь получить представление об основах биологии, предлагая метод для эффективной оценки функции генов, заявили исследователи.«С помощью CRISPR мы можем быстро «сломать» ген и посмотреть, что произойдет с растением», - объяснил Гилтинан. «У нас есть список генов, которые мы хотим протестировать».
Могут быть тысячи генов, участвующих в устойчивости к болезням, добавил Фистер. «Мы хотим оценить как можно больше», - сказал он. По словам соавтора Сиэлы Максимовой, старшего научного сотрудника и профессор садоводства.
«Любой рост производства за последние 20 лет был в основном связан с увеличением площади земли под производство», - сказала Максимова, которая является одним из руководителей программы исследований какао. «Но земля, вода, удобрения и другие ресурсы ограничены. Чтобы повысить устойчивость, нам нужны растения, которые являются более сильными и устойчивыми к болезням и которые производят больше и более качественные бобы.
«Это исследование представляет собой «доказательство концепции» того, что технология CRISPR-Cas9 может быть ценным инструментом для достижения этих целей», - сказала она.