Манипулирование РНК может позволить растениям давать значительно больше урожая, а также повысить устойчивость к засухе, заявила группа ученых из Чикагского, Пекинского и Гуйчжоуского университетов.
В первоначальных тестах добавление гена, кодирующего белок, называемый FTO, к растениям риса и картофеля увеличило их урожайность на 50% в полевых испытаниях. Растения выросли значительно крупнее, у них образовалась более длинная корневая система, и они стали лучше переносить засуху. Анализ также показал, что у растений увеличилась скорость фотосинтеза.
«Изменения действительно кардинальные», - сказал профессор Чикагского университета Чуан Хэ, который вместе с профессором Гуйфан Цзя из Пекинского университета руководил исследованием. «Более того, он работает почти со всеми типами растений, с которыми мы его пробовали, и его очень просто модифицировать».
Исследователи надеются на потенциал этого прорыва, особенно перед лицом изменения климата и других факторов, оказывающих давление на сельскохозяйственные системы во всем мире.
«Это действительно дает возможность проектировать растения для потенциального улучшения экосистемы по мере дальнейшего глобального потепления», - сказал Хе, заслуженный профессор химии, биохимии и молекулярной биологии Джона Т. Уилсона. «Мы полагаемся на растения во многих, многих вещах - от дерева, еды и лекарств до цветов и масла - и это потенциально предлагает способ увеличить запас материала, который мы можем получить из большинства растений."
Райс подтолкнул вперед
В течение десятилетий ученые работали над повышением урожайности в условиях все более нестабильного климата и растущего населения планеты. Но такие процессы обычно сложны и часто приводят лишь к постепенным изменениям.
Это открытие произошло совсем по-другому.
Многие из нас помнят РНК из биологии средней школы, где нас учили, что молекула РНК считывает ДНК, а затем создает белки для выполнения задач. Но в 2011 году лаборатория Хэ открыла совершенно новую область исследований, обнаружив ключи к другому способу экспрессии генов у млекопитающих. Оказывается, РНК не просто считывает схему ДНК и выполняет ее вслепую; сама клетка также может регулировать, какие части плана будут выражены. Он делает это, помещая химические маркеры на РНК, чтобы модулировать, какие белки производятся и сколько.
Он и его коллеги сразу поняли, что это имеет большое значение для биологии. С тех пор его команда и другие специалисты по всему миру пытаются конкретизировать наше понимание этого процесса и того, как он влияет на животных, растения и различные болезни человека; например, он является соучредителем биотехнологической компании, в настоящее время разрабатывающей новые противораковые препараты, основанные на нацеливании на белки модификации РНК.
Он и Гуйфан Цзя, бывший исследователь с докторской степенью из Калифорнийского университета в Чикаго, а ныне адъюнкт-профессор Пекинского университета, начали задаваться вопросом, как это повлияло на биологию растений.
Они сосредоточились на белке под названием FTO, первом известном белке, который стирает химические метки на РНК, который Джиа обнаружила, работая над докторской диссертацией в группе Хэ в Калифорнийском университете в Чикаго. Ученые знали, что он воздействует на РНК, чтобы влиять на рост клеток у людей и других животных, поэтому они попытались вставить его ген в растения риса, а затем с изумлением наблюдали, как растения взлетели.
"Я думаю, именно тогда все мы поняли, что делаем что-то особенное", - сказал он.
Рисовые растения выращивали в три раза больше риса в лабораторных условиях. Когда они опробовали его в реальных полевых испытаниях, растения выросли на 50% больше и дали на 50% больше риса. Они отрастили более длинные корни, более эффективно фотосинтезировали и могли лучше противостоять стрессу от засухи.
Ученые повторили эксперименты с растениями картофеля, принадлежащими к совершенно другому семейству. Результаты были такими же.
"Это предполагает чрезвычайно захватывающую степень универсальности", - сказал он.
Ученым потребовалось больше времени, чтобы понять, как это происходит. Дальнейшие эксперименты показали, что FTO начал работать на ранней стадии развития растения, увеличивая общее количество производимой биомассы.
Ученые считают, что FTO контролирует процесс, известный как m6A, который является ключевой модификацией РНК. В этом сценарии FTO работает, стирая m6A РНК, чтобы приглушить некоторые сигналы, которые говорят растениям замедлить и уменьшить рост. Представьте себе дорогу с множеством светофоров; если ученые закроют красный свет и оставят зеленый, по дороге сможет двигаться все больше и больше автомобилей.
В целом модифицированные растения продуцировали значительно больше РНК, чем контрольные растения.
Изменение процесса
Процесс, описанный в этой статье, включает использование гена FTO животного в растении. Но как только ученые полностью поймут этот механизм роста, он полагает, что могут быть альтернативные способы получения того же эффекта.
«Похоже, что у растений уже есть этот уровень регуляции, и все, что мы сделали, это подключились к нему», - сказал он. «Поэтому следующим шагом будет открытие того, как это сделать, используя существующую генетику растения».
Он может вообразить все виды использования в будущем - и он работает с университетом и Польским центром предпринимательства и инноваций, чтобы изучить возможности.
«Даже помимо еды, есть и другие последствия изменения климата», - сказал Он.«Возможно, мы могли бы выращивать травы в угрожаемых районах, которые могли бы противостоять засухе. Возможно, мы могли бы научить дерево на Среднем Западе отращивать более длинные корни, чтобы оно с меньшей вероятностью было повалено во время сильных штормов. Существует так много потенциальных применений».