Использование мультиплексного редактирования генома для создания устойчивой к болезням пшеницы

В исследовании, опубликованном в Nature, китайские учёные описали использование редактирования генома для достижения устойчивости к болезням без дефектов роста. Это достижение представляет собой важный теоретический и технологический прорыв в использовании генов восприимчивости для селекции устойчивых растений.

Команды Гао Цайся из Института генетики и биологии развития и Цю Цзиньлуна из Института микробиологии Китайской академии наук создали новый мутант пшеницы, Tamlo-R32, который демонстрирует устойчивость к мучнистой росе без дефектов роста или урожайности.

Болезни растений приводят к потере до 30% мирового урожая ежегодно, угрожая продовольственной безопасности. Патогены обычно используют гены восприимчивости (S-гены) в растениях-хозяевах для успешного заражения. Хотя мутации в S-генах дают широкий спектр и долговременную устойчивость, их нокаут часто вызывает нежелательные плейотропные эффекты, что ограничивает их использование в селекции.

Пшеница (Triticum aestivum) — основная продовольственная культура, которой питается более трети населения мира. Мучнистая роса — одно из главных заболеваний, влияющих на её урожайность.

В 2014 году эти же команды создали сорт пшеницы, устойчивый к мучнистой росе, путём изменения локуса устойчивости к мучнистой росе (Mildew resistance locus o, MLO) — гена восприимчивости пшеницы. Хотя этот вариант показал устойчивость, он рос хуже, чем дикий тип.

В новом исследовании учёные обнаружили, что мутант Tamlo-R32 имеет большую делецию в 304 килобайтных пары в локусе TaMLO-B1, а также два преждевременных стоп-кодона в локусах TaMLO-A1 и TaMLO-D1. Важно, что большая делеция в геноме B привела к изменению локального хроматинового ландшафта и эктопической активации гена TaTMT3B.

С помощью компенсационных исследований и нокаута учёные определили роль TaTMT3B в смягчении негативных эффектов на рост и урожайность, связанных с нарушением MLO.

Функция TMT3 консервативна у модельного растения Arabidopsis thaliana, что предполагает её потенциал для применения у различных сельскохозяйственных культур.

Чтобы внедрить результаты в селекцию, исследователи скрестили мутант Tamlo-R32 с элитными сортами пшеницы традиционными методами, успешно перенеся в них признаки устойчивости.

Кроме того, они описали простой и быстрый подход с использованием мультиплексных технологий редактирования генома CRISPR для непосредственного создания соответствующих генетических изменений в элитных сортах. Это позволило создать устойчивую к мучнистой росе пшеницу всего за 2–3 месяца.

Эта работа демонстрирует потенциал комбинирования генетических изменений для устранения дефектов роста, вызванных рецессивными аллелями. Исследование открывает новые перспективы использования мультиплексного редактирования генома для селекции устойчивых и высокоурожайных сортов на основе S-генов.