Точная генная инженерия открывает путь к устойчивому сельскому хозяйству

В условиях изменения климата для обеспечения продовольствием растущего населения необходимы устойчивые методы земледелия. Группа исследователей предлагает дорожную карту по адаптации сельскохозяйственных культур к засухе и другим последствиям потепления с помощью генной инженерии.

Обзорная статья в журнале Science, написанная биологом растений Тревором Ноланом из Caltech совместно с коллегами из VIB Center for Plant Systems Biology (Бельгия), описывает подход к улучшению культур с использованием инструментов фундаментальной биологии для понимания работы растительных клеток.

Авторы предлагают более точный метод по сравнению с существующими. Речь идёт о тонкой настройке собственной экспрессии генов растения, чтобы, например:

• Стимулировать рост более глубокой корневой системы при засухе.
• Повысить эффективность поглощения воды и питательных веществ.
• Изменить архитектуру листьев для лучшего улавливания света.

«Мы хотим модулировать рост растений с хирургической точностью, без побочных эффектов для остального организма. Для этого необходимо понимать, что именно делает растение на клеточном уровне», — говорит Нолан.

Ранее в этом году в журнале Cell Нолан с соавторами показали, что класс гормонов растений — брассиностероиды — управляет ростом корня через динамическую сеть обратной связи, специфичную для конкретных клеток.

Брассиностероиды необходимы для развития растений, регулируя деление и удлинение клеток. Однако их широкое применение может дать обратный эффект, нарушив тонкий баланс гормональной сигнализации между клетками. Рост оптимален только при «правильном» количестве гормона в нужном месте и в нужное время.

Это открытие стало возможным благодаря передовым методам изучения экспрессии генов в отдельных клетках модельного растения Arabidopsis thaliana. Такие методы, как single-cell transcriptomics, позволяют измерять экспрессию генов одновременно во многих клетках.

Лаборатория Нолана интегрирует технологии single-cell, spatial и live-imaging, чтобы визуализировать развитие растений с беспрецедентным разрешением. Используя специально сконструированный вертикальный конфокальный микроскоп, команда может отслеживать развитие отдельных клеток — от их происхождения в меристеме корня до дифференцировки в специализированные ткани.

«Наша работа показывает, что растения координируют рост с удивительной пространственной точностью. Поняв эти принципы, мы сможем применять их для инженерии таких культур, как рис, кукуруза и сорго, чтобы сделать сельское хозяйство более устойчивым к жаре и засухе», — заключает Нолан.