Новый химический метод упрощает селекцию желаемых признаков у сельскохозяйственных культур
Традиционная селекция растений ограничена существующим генетическим разнообразием, суженным в результате доместикации. Чтобы обойти эти ограничения, используют мутагенез, например, с помощью облучения, которое создаёт структурные варианты ДНК. Однако у облучения есть логистические и регуляторные сложности.
Новый химический метод для генетических изменений
В статье в PLOS Genetics Мэри Геринг и коллеги представили новый метод создания крупномасштабных генетических изменений без облучения.
Метод заключается в обработке прорастающих семян этопозидом — химиотерапевтическим препаратом. Он нарушает работу фермента, управляющего структурой ДНК во время деления клетки. Ошибки при репарации разрывов ДНК приводят к крупным перестройкам в геноме. Семена, собранные с обработанных растений, несут эти наследуемые изменения.
Процесс использует стандартные лабораторные инструменты: семена проращивают на среде с препаратом, затем пересаживают в почву. "Я была удивлена, насколько это эффективно", — говорит Геринг. "Разнообразие новых признаков, которые можно было увидеть уже в первом поколении, было огромным".
Результаты на Arabidopsis и голубином горохе
Метод продемонстрировали на модельном растении Arabidopsis thaliana. Около двух третей обработанных линий показали видимые различия: изменения формы листьев, размера растения, пигментации и фертильности. Генетический анализ связал эти признаки с делециями, дупликациями и перестройками сегментов ДНК.
В нескольких случаях команда связала конкретные признаки с индивидуальными генетическими изменениями. Например, карликовое растение с необычными листьями имело крупное изменение, нарушающее ген, вовлечённый в развитие листа.
Метод также применяют к голубиному гороху — засухоустойчивой бобовой культуре, важному источнику белка в Азии и Африке. Этот "сиротский" культивар имеет ограниченное генетическое разнообразие. "Все признаки, которые мы хотели бы видеть у голубиного гороха, отсутствуют в существующей популяции", — говорит Геринг. "Идея в том, чтобы провести крупномасштабный мутационный эксперимент для увеличения генетического разнообразия".
Команда сейчас отбирает линии голубиного гороха на солеустойчивость и уже выявила несколько перспективных линий во втором поколении.
Преимущества перед редактированием генов и планы на будущее
Химический подход может быть полезен для культур, которые сложно модифицировать с помощью инструментов редактирования генов, таких как CRISPR, поскольку CRISPR часто зависит от генетической трансформации — технически сложного этапа для многих видов.
Новый метод дополняет существующие генетические инструменты. Более доступная альтернатива облучению может расширить возможности создания крупномасштабных генетических изменений и новых сортов растений.
В дальнейшем лаборатория Геринг планирует создать комплексные коллекции мутантов Arabidopsis с хорошо охарактеризованными структурными вариантами. Это поможет лучше понять, как крупномасштабные изменения в структуре генома влияют на развитие и продуктивность растений.