CRISPR позволяет производить гибридные семена сельхозкультур в один этап

Технологии создания гибридов сельскохозяйственных культур значительно повысили урожайность во всем мире за последние десятилетия. Однако разработка и поддержание линии производства гибридов всегда были сложными и трудоемкими. Исследователи из Китая разработали новую систему, сочетающую CRISPR-редактирование генома с другими подходами. Она позволяет получать семена, не уступающие традиционным гибридным методам, и сокращает срок создания производственной линии на 5–10 лет. Исследование опубликовано 8 июля в журнале Molecular Plant.

Гибриды предпочтительнее чистых линий в растениеводстве. Скрещивание двух генетически отдаленных сортов растений часто дает потомство с превосходящими родительские характеристики — более высокой урожайностью и устойчивостью к болезням. Это явление называется гетерозисом, или гибридной мощностью.

«Но современные методы создания гибридов очень трудоемки и громоздки», — говорит старший автор работы Чуаньсяо Се из Китайской академии сельскохозяйственных наук.

Первый шаг в производстве гибрида — найти или создать родительское растение с мутацией, делающей его пыльцу нежизнеспособной. Это предотвращает самоопыление и гарантирует, что большинство растений будет оплодотворено другим сортом. Однако само потомство должно быть фертильным, чтобы размножаться и давать больше родительских растений. Ученые скрещивают стерильное растение с фертильным, чтобы восстановить плодовитость и получить гибридные семена. Построение такого цикла жизненно важно для создания эффективной линии производства семян в полевых условиях.

Эти подходы предъявляют очень специфические требования к генотипам растений, а создание стабильных стерильных и фертильных линий может занять годы.

«Эти ограничения мешали их широкому применению в коммерческом сельском хозяйстве, — говорит Се. — Но наша новая система с использованием CRISPR/Cas9 может значительно упростить процесс. Теперь достаточно одной трансформации».

Се и его коллеги сначала создали вектор Cas9, нацеленный на ген фертильности MS26 у кукурузы. Они также подготовили второй вектор под названием MGM. Первый вектор работает, вырезая сегмент гена MS26, что делает растение генетически стерильным. Вектор MGM содержит три функциональные части: рабочую кодирующую последовательность гена MS26 для восстановления фертильности, фермент для инактивации пыльцы и красный маркер, который будет виден в семенах.

Команда ввела оба вектора в агробактерию и использовала ее для трансформации зародышей кукурузы. Поскольку кукуруза диплоидна (имеет две копии каждого гена), эти отредактированные зародыши несли две копии мутировавшего гена MS26, а также одну копию введенного гена MGM.

При самоопылении эти растения дают два типа потомства в соотношении 1:1 согласно правилам мейоза: одно — с мутировавшим MS26 и MGM, другое — с мутировавшим MS26, но без MGM.

Потомство без MGM стерильно, поэтому его можно использовать в качестве родителя для производства гибридных семян. Поскольку эти родители не несут экзогенный ген MGM, их потомство (при скрещивании с негенетически модифицированным сортом) не является трансгенным.

Другая половина потомства несет ген MGM. Эти растения фертильны и по сути идентичны своим родителям. Такие растения — «поддерживатели» — можно самоопылять, чтобы получать больше стерильных растений для производства гибридов и больше «поддерживателей».

«Поддерживатели» также несут красный флуоресцентный маркер, экспрессируемый из вектора MGM, поэтому их можно легко отличить и отделить от стерильных семян.

«Наша система значительно сокращает ресурсы, необходимые для создания стабильных линий производства гибридных семян. Поэтому затраты и стоимость семян будут намного ниже», — говорит Се.

Помимо кукурузы, ген MS26 есть у многих других основных культур, включая рис, просо, пшеницу и сорго. Поэтому новый подход можно легко применить к другим культурам или даже к другим генам, определяющим фертильность.

«С технологической точки зрения мы недалеки от крупномасштабного применения. Но прежде чем получить разрешение на коммерческое производство, нам нужно пройти определенную процедуру», — отмечает Се.