Исследователи из Университета Аризоны нашли многообещающий способ предотвратить ежегодную потерю миллионов тонн урожая из-за грибка, что дает возможность значительно улучшить продовольственную безопасность, особенно в развивающихся странах. Подход команды использует трансгенные растения кукурузы, которые производят небольшие молекулы РНК, которые не позволяют грибам производить афлатоксины, высокотоксичные вещества, которые могут сделать весь урожай небезопасным для употребления человеком даже в небольших количествах..
Хотя обширные полевые испытания должны предшествовать широкому применению новой техники в сельскохозяйственных условиях по всему миру, результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, показали, что трансгенные растения кукурузы, зараженные грибком, подавляют уровни токсинов ниже обнаруживаемые пределы.
Сельскохозяйственные культуры во всем мире восприимчивы к заражению грибками различных видов Aspergillus, грибком, который производит вторичные метаболиты, известные как афлатоксины. Эти соединения вызывают задержку роста у детей, повышают риск рака печени и делают людей более восприимчивыми к таким заболеваниям, как ВИЧ и малярия.
В отличие от США, где сельскохозяйственные культуры, предназначенные для потребления человеком, проверяются на наличие афлатоксина и сжигаются, как только уровень достигает 20 частей на миллиард (эквивалентно одной капле воды в бассейне объемом 22 000 галлонов), тестирование не проводится во многих развивающихся частях мира, особенно в Африке, где миллионы людей зависят от потребления того, что они собирают. Там были измерены уровни токсинов до 100 000 частей на миллиард, говорит руководитель исследования Моника Шмидт, доцент Школы наук о растениях UA и член Института BIO5 UA..
«Афлатоксин - один из самых сильнодействующих токсинов на планете», - сказал Шмидт. «Обычно это не убивает человека сразу, но может сильно заболеть».
При финансовой поддержке Фонда Билла и Мелинды Гейтс Шмидт и ее команда решили изучить, можно ли использовать естественный биологический механизм, называемый РНК-интерференцией, в качестве оружия против токсина Aspergillus. Этот подход, называемый индуцированным хозяином подавлением генов, или HIGS, основан на предыдущей работе других исследователей, которые обнаружили, что во время инфекционного процесса растение-хозяин и грибок обмениваются небольшими молекулами нуклеиновой кислоты.
"Когда я прочитал об этом в литературе, я подумал: "Почему мы не можем создать троянского коня, чтобы отключить этот токсин?"" - сказал Шмидт, который много лет работал над этим проектом. «Мы ввели в кукурузу сконструированную ДНК-конструкцию, которая передает РНК грибку, когда тот заражает растение кукурузы».
Модифицированные растения кукурузы несут генетическую схему малых молекул РНК, каждая из которых имеет длину всего около 20 пар оснований, только в съедобных зернах, а не во всем растении.
«Кукуруза постоянно производит эту РНК в течение всего развития ядра», - объяснил Шмидт. «Когда зерна соприкасаются с грибком, РНК переходит внутрь гриба».
Оказавшись внутри грибковых клеток, молекулы РНК в форме шпильки соединяются с соответствующими целевыми последовательностями собственной РНК гриба, которые кодируют фермент, необходимый для производства токсина, в процессе, называемом РНК-интерференцией. Это приводит к прекращению производства токсина, но никаким другим образом не влияет на грибок, который продолжает расти и жить на кукурузе, хотя и безвредно.
Подход HIGS имеет явное преимущество перед существующими усилиями по предотвращению попадания афлатоксина в человеческую пищевую цепочку, потому что он в первую очередь предотвращает образование токсина грибком, пока урожай растет в поле, в отличие от защиты урожай только после его сбора и хранения. Такие подходы включают в себя вентиляторы на солнечных батареях, которые высасывают воздух из хранилищ, или запечатывание урожая в огромных мешках для хранения, создающих безвоздушные условия, чтобы грибок не мог расти..
Еще одна стратегия, предложенная соавтором исследования Питером Котти, патологом-исследователем растений из Университета США. Министерство сельского хозяйства США и Школа наук о растениях UA исследовали опрыскивание сельскохозяйственных культур штаммами аспергилл, которые не производят афлатоксин, тем самым предотвращая их патогенные родственники, закрепившиеся на растениях.
Другие исследователи пытались вывести сорта кукурузы, которые экспрессируют противогрибковые белки, но, поскольку известно не так много противогрибковых белков, эти усилия имели ограниченный успех, сказал Шмидт.
Шмидт объяснил, что HIGS имеет большие перспективы, потому что он очень специфичен и нацелен на свое воздействие, и потенциально может применяться и к другим культурам.
В своих экспериментах команда заразила растения кукурузы аспергиллами и дала им расти в течение одного месяца. В то время как необработанные контрольные растения содержали уровни токсинов от 1 000 до 10 000 на миллиард, уровни токсинов не обнаруживались в трансгенных растениях.
«Предел обнаружения не равен нулю, но достаточно низок, чтобы кукурузу можно было безопасно есть», - сказал Шмидт.
Команда сделала еще один шаг вперед и исследовала общую экспрессию генов в зернах, чтобы увидеть, есть ли у трансгенных растений кукурузы нежелательные побочные эффекты. В этом участвовала лаборатория соавтора Рода Винга, также из Школы наук о растениях UA, для сравнения тысяч транскриптов РНК между нетрансгенными контрольными ядрами и трансгенными ядрами. По словам Шмидта, команда не обнаружила ни одной значимой разницы в дифференциальной экспрессии генов между трансгенными и нетрансгенными ядрами.
«Это растение кукурузы ничем не отличается от любого другого», - сказала она. «Единственная черта, которая отличает его, - это способность останавливать выработку токсина. Никаких других эффектов он иметь не должен, но, очевидно, потребуется много последующих испытаний, прежде чем его можно будет выращивать на полях».
Шмидт и ее команда выбрали журнал с открытым доступом Science Advances именно потому, что «мы хотим, чтобы любой, у кого есть подключение к Интернету, мог получить доступ к нашим результатам, особенно в Африке, где афлатоксин представляет собой серьезную проблему для продовольственной безопасности».