Ученые изменили цвет цветков с помощью технологии CRISPR

Впервые в мире японские ученые использовали революционный инструмент редактирования генома CRISPR/Cas9 для изменения цвета цветков у декоративного растения. Исследователи из Университета Цукубы, Национальной организации по исследованиям в области сельского хозяйства и пищевых продуктов (NARO) и Городского университета Йокогамы изменили цвет традиционного японского садового растения — ипомеи нил (Ipomoea nil или Pharbitis nil) — с фиолетового на белый, нарушив работу всего одного гена.

Почему выбрали ипомею?

  • Японская ипомея (Асагао) — одна из двух традиционных модельных садовых растений в Национальном проекте биоресурсов Японии (NBRP).
  • Ее геном уже секвенирован, а методы переноса ДНК разработаны.
  • Использование этого популярного растения может помочь в информировании общественности о технологии CRISPR/Cas9, которая вызывает социальные дискуссии в Японии.

Цель и метод

Ученые нацелились на ген дигидрофлавонол-4-редуктазы-B (DFR-B), кодирующий фермент биосинтеза антоцианов, отвечающий за цвет стеблей, листьев и цветков. Рядом расположены два очень похожих гена (DFR-A и DFR-C), поэтому задача состояла в точном воздействии только на DFR-B. Для этого использовали систему CRISPR/Cas9 как наиболее точный метод редактирования генов.

Как работает CRISPR/Cas9?

Система состоит из двух молекул:

  1. Фермент Cas9 — разрезает две цепи ДНК в заданном месте.
  2. Направляющая РНК (gRNA) — комплементарна целевой последовательности ДНК и направляет к ней Cas9.

Результаты эксперимента

  • В качестве мишени выбрали короткую последовательность ДНК в гене DFR-B, содержащую активный сайт фермента.
  • Систему CRISPR/Cas9 доставили в культивируемые эмбрионы ипомеи с помощью бактерии Rhizobium.
  • Фермент DFR-B был успешно инактивирован. Примерно 75% трансгенных растений имели зеленые стебли и белые цветки (против фиолетовых у нетрансформированных растений).
  • Генетический анализ подтвердил изменения в целевой последовательности ДНК (вставки или делеции) в обеих копиях гена DFR-B (биаллельные мутанты). Гены DFR-A и DFR-C остались без изменений, что подтвердило высокую специфичность системы.

Наследование и регуляция

Мутации, вызванные CRISPR/Cas9, стабильно наследовались в следующем поколении. Некоторые растения-потомки не имели следов введенной чужеродной ДНК. Это создает интересный правовой вопрос: такие растения можно считать трансгенными по процессу создания, но нетрансгенными по конечному продукту (отсутствию чужой ДНК).

Значение исследования

  1. Подтверждение функции гена: CRISPR/Cas9 выступила как «обратный» генетический подход, подтвердив, что ген DFR-B — главный ответственный за цвет у ипомеи.
  2. Высокая эффективность: Мутагенез на уровне 75% облегчит модификацию цвета и формы у декоративных и овощных культур.
  3. Скорость: То, на что у природы ушло около 850 лет (появление первого белого цветка ипомеи в Японии в 1631 году от диких синих предков VIII века), с помощью CRISPR/Cas9 заняло менее года, демонстрируя мощь и потенциал технологии.

Исследование опубликовано 30 августа 2017 года в журнале Scientific Reports.

2017-09-05