Новые технологии позволили получить беспрецедентные детали о генетически модифицированных растениях

Исследователи из Института Солка составили карты геномов и эпигеномов генетически модифицированных линий растений с самым высоким на сегодня разрешением, чтобы выяснить, что именно происходит на молекулярном уровне при вставке чужеродной ДНК. Их результаты, опубликованные в журнале PLOS Genetics 15 января 2019 года, проясняют рутинные методы модификации растений и предлагают новые способы более эффективного минимизирования потенциальных нецелевых эффектов.

Когда учёному нужно ввести новый ген в растение, обычно используется Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия способна переносить часть своей ДНК в геном растения-хозяина. Учёные используют эту способность, применяя её трансфер-ДНК (T-ДНК) для доставки нужного гена.

Ранее технологии секвенирования ДНК начали указывать на то, что вставка T-ДНК может вызывать дополнительные изменения структурных и химических свойств нативной ДНК растения.

Поскольку метод T-ДНК может приводить к интеграции множества копий целевого гена, изучать результат стандартным секвенированием сложно — большинство технологий плохо справляются с высокоповторяющимися участками ДНК. Исследователи применили новую комбинацию подходов, включая оптическое картирование и нанопоровое секвенирование, для изучения этих длинных участков с высоким разрешением.

Технологии были применены к четырём случайно выбранным T-ДНК линиям Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) — модельного растения в биологии.

• Оптическое картирование показало, что у растений было от одного до семи различных вставок или перестроек в геномах, размер которых различался почти в десять раз.
• Нанопоровое секвенирование и реконструкция геномов двух линий подтвердили вставки с разрешением до одного нуклеотида, включая целые сегменты ДНК, которые были обменяны (транслоцированы) между хромосомами в одной из линий.
• Сами генные вставки показали разнообразие паттернов: фрагмент вставленной ДНК иногда был перемешан, инвертирован или даже сайленсирован.

Кроме того, при изучении гистонов — белков, упаковывающих ДНК, — были обнаружены эпигенетические изменения. В зависимости от места интеграции T-ДНК, определённые гистоновые модификации поблизости появлялись или исчезали, потенциально меняя регуляцию или активацию других соседних генов.

В идеале T-ДНК должна вставлять одну функциональную копию нужного гена без побочных эффектов для генома. Хотя результаты показывают, что в случае с Arabidopsis это редкость, новые методы предлагают путь к лучшему пониманию и контролю этих эффектов.

Подход, разработанный на Arabidopsis с её малым геномом, в будущем может быть применён и к сельскохозяйственным культурам благодаря постоянному совершенствованию технологий секвенирования ДНК. Это может обеспечить более эффективный метод скрининга сотен трансгенных линий для поиска оптимальных.