CRISPR-модифицированные культуры не считаются ГМО

Для обеспечения продовольствием растущего населения мира необходимо повышать производство продуктов питания.

Увеличение урожайности с помощью традиционной селекции растений неэффективно — результаты непредсказуемы, а создание нового сорта может занять годы или десятилетия. С другой стороны, мощные технологии генетической модификации растений могут быстро давать новые сорта, но их внедрение было спорным. Многие потребители и страны отвергают ГМО-продукты, несмотря на обширные исследования, доказывающие их безопасность.

Теперь новая технология редактирования генома CRISPR может предложить хорошую альтернативу.

Моя приоритетная задача как генетика растений — разработка инструментов для модификации древесных растений, таких как цитрусовые деревья, чтобы они могли противостоять болезни позеленения плодов (Huanglongbing, HLB), которая опустошила эти деревья по всему миру. Впервые обнаруженная во Флориде в 2005 году, болезнь уничтожила цитрусовые культуры штата стоимостью 9 млрд долларов США, что привело к снижению производства апельсинов на 75% в 2017 году. Поскольку цитрусовым деревьям требуется от 5 до 10 лет, чтобы начать плодоносить, наша новая методика — номинированная многими главными редакторами как один из прорывных подходов 2017 года, способных изменить мир — может ускорить создание не-ГМО цитрусовых деревьев, устойчивых к HLB.

Генетически модифицированные vs. отредактированные

Почему растения, созданные с помощью нашего нового метода редактирования ДНК, не считаются ГМО?

Генетически модифицированными считаются растения и животные, измененные способом, который не мог возникнуть естественным путем в ходе эволюции. Яркий пример — перенос гена из одного вида в другой для наделения организма новым признаком, например, устойчивостью к вредителям или засухе.

В нашей работе мы не вырезаем и не вставляем гены от животных или бактерий в растения. Мы используем технологии редактирования генома для внедрения новых признаков растений путем прямого переписывания их генетического кода.

Это быстрее и точнее, чем традиционная селекция, менее спорно, чем методы ГМО, и может сократить на годы или даже десятилетия сроки выведения новых сортов для фермеров.

Есть и другой стимул использовать редактирование генов для создания "дизайнерских" культур. 28 марта 2018 года министр сельского хозяйства США Сонни Пердью заявил, что USDA не будет регулировать новые сорта растений, разработанные с помощью новых технологий, таких как редактирование генома, если полученные растения неотличимы от выведенных традиционными методами. Напротив, растение, содержащее ген или гены другого организма, например бактерии, считается ГМО. Это еще одна причина, по которой многие исследователи и компании предпочитают использовать CRISPR в сельском хозяйстве, когда это возможно.

Изменение генетического чертежа растения

Инструмент редактирования генов, который мы используем, называется CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) и был адаптирован из защитных систем бактерий. Эти бактериальные CRISPR-системы были модифицированы, чтобы такие ученые, как я, могли редактировать ДНК растений, животных, человеческих клеток и микроорганизмов. Эту технологию можно использовать для коррекции генетических ошибок у людей, вызывающих болезни, для создания животных моделей в исследованиях и для получения новых генетических вариаций, ускоряющих селекцию растений.

Чтобы использовать CRISPR для внедрения полезного признака в сельскохозяйственную культуру, нам необходимо знать гены, контролирующие этот признак. Например, предыдущие исследования показали, что естественный растительный гормон гиббереллин важен для высоты растения. Ген GA20-ox контролирует количество производимого гиббереллина. Чтобы создать сорт газонной травы с "низкой частотой стрижки", мы редактируем ДНК этого растения, изменяя последовательность гена GA20-ox, чтобы снизить его активность. При меньшем количестве гиббереллина трава не будет так высоко расти, и ее не нужно будет так часто косить.

Система CRISPR состоит из двух частей: белка Cas9, разрезающего ДНК, и молекулы РНК, служащей шаблоном для кодирования нового признака в ДНК растения.

Стандартный подход использования CRISPR в растениях — вставка генов CRISPR, кодирующих "редактирующие машины" CRISPR-Cas9, в ДНК растительной клетки. Когда ген CRISPR-Cas9 активен, он находит и переписывает соответствующий участок генома растения, создавая новый признак.

Но здесь есть загвоздка. Чтобы выполнить редактирование ДНК с помощью CRISPR/Cas9, сначала нужно генетически модифицировать растение, введя в него чужеродные гены CRISPR — это сделало бы его ГМО.

Новая стратегия для не-ГМО культур

Для однолетних культур, таких как кукуруза, рис и томат, которые завершают жизненный цикл от прорастания до производства семян за один год, гены CRISPR можно легко удалить из отредактированных растений. Некоторые производимые ими семена не несут генов CRISPR, только новые признаки.

Но эта проблема гораздо сложнее для многолетних культур, которым требуется до 10 лет, чтобы достичь стадии цветения и производства семян. Ждать семян, свободных от генов CRISPR, было бы слишком долго.

Моя команда в Университете Коннектикута и наши коллабораторы разработали новый удобный метод использования CRISPR для надежного создания желаемых признаков в сельскохозяйственных растениях без введения каких-либо чужеродных бактериальных генов.

Мы сначала модифицировали естественную почвенную бактерию Agrobacterium, добавив в нее гены CRISPR. Затем мы берем молодые листья или побеги растений, смешиваем их в чашках Петри с бактериями и инкубируем вместе пару дней. Это дает бактериям время заразить клетки и доставить механизм редактирования генов, который затем изменяет генетический код растения.

В некоторых зараженных Agrobacterium клетках бактерия действует как троянский конь, доставляя все инструменты редактирования в клетку, а не создавая растения с собственным механизмом редактирования. Поскольку бактериальные гены или гены CRISPR не становятся частью генома растения в этих клетках, а просто выполняют работу по редактированию генов, любые растения, полученные из этих клеток, не считаются ГМО.

Через пару дней мы можем культивировать растения из отредактированных клеток. Затем требуется несколько недель или месяцев, чтобы вырастить отредактированное растение, пригодное для посадки на ферме. Сложность в том, чтобы определить, какие растения успешно модифицированы. Но у нас есть решение и для этой проблемы — мы разработали метод, который позволяет идентифицировать отредактированные растения всего за две недели.

Генетически спроектированные газоны

Одно важное отличие редактирования растений от человеческих клеток заключается в том, что мы не так обеспокоены ошибками редактирования. У людей такие ошибки могут вызвать болезнь, но нецелевые мутации у растений не являются серьезной проблемой. Ряд опубликованных исследований сообщает о низкой или незначительной нецелевой активности CRISPR в растениях по сравнению с животными системами.

Кроме того, перед распространением любых растений среди фермеров для посадки в поле, отредактированные растения будут тщательно оценены на предмет явных дефектов в росте, развитии или их реакции на засуху, экстремальные температуры, болезни и атаки насекомых. Кроме того, секвенирование ДНК отредактированных растений после их создания может легко выявить любые значительные нежелательные нецелевые мутации.

Помимо цитрусовых, наша технология должна быть применима к большинству многолетних культур, таких как яблоня, сахарный тростник, виноград, груша, банан, тополь, сосна, эвкалипт, а также к некоторым однолетним культурам, таким как клубника, картофель и батат, которые размножаются без использования семян.

Мы также видим роль технологий редактирования генома во многих других растениях, используемых в сельском хозяйстве, садоводстве и лесной промышленности. Например, мы создаем сорта газонной травы, требующие меньше удобрений и воды.