Крупномасштабный метод генетической модификации раскрывает роль и свойства дублированных генов в растениях

Исследователи из Тель-Авивского университета впервые разработали технологию геномного масштаба, позволяющую раскрыть роль генов и признаков у растений, ранее скрытых функциональной избыточностью.

До этого развития можно было изучать функции лишь одиночных генов, составляющих около 20% генома. Для оставшихся 80% генома, состоящих из генов, сгруппированных в семейства, не было эффективного способа определить их роль в растении в масштабе всего генома.

В результате этой уникальной разработки исследовательской группе удалось выделить и идентифицировать десятки новых признаков, ранее упускавшихся из виду. Ожидается, что разработка революционизирует способы улучшения сельскохозяйственных культур, так как может быть применена к большинству культур и признаков, таким как повышение урожайности и устойчивость к засухе или вредителям.

Исследование выполнено под руководством профессоров Эйлона Шани и Итая Майрозе из Школы наук о растениях и продовольственной безопасности. В нём также участвовали учёные из Франции, Дании и Швейцарии. Работа опубликована в журнале Nature Plants.

Решение проблемы генетической избыточности

Несмотря на развитие технологий генетического редактирования, таких как CRISPR, оставались проблемы, ограничивающие их применение в сельском хозяйстве. Одна из них — необходимость точной идентификации генов, ответственных за конкретный желаемый признак. Стандартный метод — создание мутаций и наблюдение за изменениями признаков растения.

Однако у этого подхода есть фундаментальная проблема: около 80% генов в среднем растении (например, томата или риса) не работают поодиночке, а сгруппированы в семейства похожих генов. Если мутирует один ген из семейства, другой ген из того же семейства (фактически очень похожая копия) может замаскировать фенотипические проявления вместо мутировавшего гена. Из-за этого явления, называемого генетической избыточностью (редундантностью), сложно создать изменение в самом растении и определить функцию гена.

Новый метод на основе CRISPR

Исследователи применили инновационный метод редактирования генов CRISPR для преодоления ограничения, вызванного генетической избыточностью. Метод использует фермент Cas9, который может ассоциироваться с направляющей sgRNA-последовательностью, определяющей участок ДНК для разрезания.

• Биоинформатический этап: Исследователи сфокусировались на растении Arabidopsis (около 30 000 генов). Сначала они выделили около 8000 одиночных генов, не имеющих копий в геноме. Оставшиеся 22 000 генов были разделены на семейства. Для каждого семейства были компьютерно спроектированы соответствующие sgRNA-последовательности.
• Дизайн библиотеки: Каждая sgRNA-последовательность была разработана так, чтобы направлять фермент Cas9 на специфическую генетическую последовательность, характерную для всего семейства. Цель — создание мутаций сразу во всех членах семейства, чтобы эти гены больше не могли перекрывать функции друг друга. Таким образом была построена библиотека, содержащая примерно 59 000 sgRNA-последовательностей. Каждая такая последовательность способна одновременно модифицировать от 2 до 10 генов из одного семейства, эффективно нейтрализуя явление генетической избыточности.
• Лабораторный этап: Все 59 000 sgRNA-последовательностей были сгенерированы и встроены в библиотеки плазмид в комбинации с ферментом Cas9. Затем были созданы тысячи новых растений, содержащих эти библиотеки, где каждое растение получило одну sgRNA-последовательность, направленную против конкретного семейства генов.

Результаты и значение

Исследователи наблюдали признаки, проявившиеся у растений после модификации генома. Когда у конкретного растения наблюдался интересный фенотип, можно было легко определить, какие гены ответственны за изменение, на основе встроенной в него sgRNA-последовательности. Секвенирование ДНК идентифицированных генов позволило определить природу мутации и её вклад в новые свойства растения.

Таким образом были картированы многие новые признаки, ранее блокированные из-за генетической избыточности. В частности, исследователи идентифицировали специфические белки, входящие в механизм, связанный с транспортом гормона цитокинина, который необходим для оптимального развития растения.

Профессор Шани: «Новый метод, который мы разработали, будет иметь огромное значение для сельского хозяйства: он позволяет эффективно и точно раскрыть пул генов, ответственных за признаки, которые мы стремимся улучшить, — такие как устойчивость к засухе, вредителям и болезням или увеличение урожайности. Мы верим, что это будущее сельского хозяйства: контролируемое и целенаправленное улучшение культур в крупном масштабе. Сегодня мы с большим успехом применяем разработанный метод к растениям риса и томата и намерены применять его и к другим культурам».