Ученые из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL) использовали до сих пор неиспользованные возможности редактирования генома для улучшения сельскохозяйственных культур. Используя в качестве примера томат, они мобилизовали технологию CRISPR/Cas9 для быстрого создания вариантов растения, которые демонстрируют широкий континуум трех отдельных, важных для сельского хозяйства признаков: размер плода, архитектура ветвления и общая форма растения. Все это основные компоненты, определяющие урожайность растения. Этот метод предназначен для работы со всеми пищевыми, кормовыми и топливными культурами, включая основные рис, кукурузу, сорго и пшеницу.
«Текущие темпы роста урожайности не будут соответствовать будущим сельскохозяйственным потребностям планеты по мере роста населения», - говорит профессор CSHL Закари Липпман, который руководил исследованием. «Одно из самых серьезных ограничений заключается в том, что природа не предоставила селекционерам достаточно генетических вариаций для работы, особенно для основных признаков урожайности, которые могут включать десятки генов. Наша лаборатория теперь использовала технологию CRISPR для создания новых генетических вариаций, которые могут ускорить улучшение урожая, сделав его результаты более предсказуемыми».
Эксперименты команды, опубликованные сегодня в журнале Cell, включают в себя использование «ножниц» CRISPR для множественных надрезов в пределах трех последовательностей генома томатов, известных как промоторы - области ДНК рядом с ассоциированными генами, которые помогают регулировать, когда, где и в каком месте. уровне эти гены «урожайности» активны во время роста. Таким образом, создав несколько наборов мутаций в каждой из этих регуляторных областей, ученые смогли вызвать широкий спектр изменений в каждом из трех целевых признаков.
«Что мы продемонстрировали с каждым из признаков, - объясняет Липпман, - так это способность использовать CRISPR для создания новых генетических и признаковых вариаций, которые селекционеры могут использовать для адаптации растения к условиям. Теперь каждый признак можно изменить. управляется так же, как диммер управляет лампочкой."
Используя CRISPR для мутации регуляторных последовательностей - промоторов соответствующих генов «урожайности», а не самих генов - команда CSHL обнаружила, что они могут достичь гораздо более тонкого воздействия на количественные признаки. Тонкая настройка экспрессии генов, а не удаление или инактивация кодируемых ими белков, скорее всего, принесет пользу коммерческому сельскому хозяйству из-за гибкости, которую такое генетическое разнообразие обеспечивает для улучшения характеристик урожайности.
«Традиционная селекция требует много времени и усилий для адаптации полезных вариантов соответствующих генов к лучшим сортам, которые необходимо постоянно улучшать каждый год», - говорит Липпман.«Наш подход может помочь обойти это ограничение, напрямую генерируя и отбирая наиболее желательные варианты, контролирующие активность генов в контексте других естественных мутаций, которые приносят пользу размножению. Теперь мы можем работать с нативной ДНК и улучшать то, что предоставила природа, что мы считаем может помочь преодолеть барьеры доходности."
Каждая из мутировавших областей создает так называемые локусы количественных признаков (QTL). В любом конкретном растении QTL возникали естественным образом на протяжении тысячелетий в результате спонтанных мутаций, которые вызывали тонкие изменения характеристик урожайности. Поиск и использование природных QTL были целью селекционеров на протяжении столетий, но наиболее ценные QTL - те, которые вызывают тонкие изменения признаков - встречаются редко. Липпман и его команда показали, что QTL, сгенерированные CRISPR, можно комбинировать с существующими QTL для создания «инструментов» генетической изменчивости, превосходящих существующие в природе.