Наноноситель-спрей: Улучшение урожая без генной модификации

Исследователи из Центра устойчивых ресурсов RIKEN (CSRS) в Японии разработали способ улучшения качества сельскохозяйственных культур без создания специальных генетически модифицированных растений. Вместо изменения генома растений новая техника использует спрей, который доставляет биологически активные молекулы в клетки растений через их листья. Эта технология может помочь культурам стать устойчивыми к вредителям или засухе — быстрее и дешевле, чем создание линий ГМО-культур. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.

Команда под руководством Масаки Одахары разработала альтернативу ГМО. Вместо изменения генома растения для подавления конкретного гена, тот же ген можно временно "отключить", доставив в растение специфическое биологически активное соединение с помощью носителя, способного проникать через клеточные стенки.

Ключевым стал выбор практичного метода доставки для реальных сельскохозяйственных условий. Учёные остановились на спрее, который можно легко распылять на больших полях.

Исследователи сосредоточились на клеточно-проникающих пептидах (CPPs), так как они могут проникать в клетки растений и нацеливаться на специфические внутриклеточные структуры, такие как хлоропласты. Сначала они определили, какие CPPs лучше всего работают при распылении. Пометив натуральные и синтетические CPPs флуоресцентным жёлтым красителем и распылив их на листья, они измерили количество флуоресценции в листьях Arabidopsis thaliana, сои и томатов с помощью конфокального микроскопа. Было обнаружено несколько природных CPPs, способных проникать в наружный слой листьев, а в некоторых случаях и глубже.

Дальнейшие эксперименты показали, что техника хорошо работает, когда к CPPs присоединена плазмидная ДНК: гены эффективно экспрессировались в листьях A. thaliana и сои после доставки через водный спрей. Учёные также выяснили, что добавление в раствор других биомолекул и наноструктур временно увеличивает количество пор в листьях, что повышает поглощение спрея растением.

Чтобы продемонстрировать функциональность метода, команда создала трансгенное растение, сверхэкспрессирующее жёлтый флуоресцентный белок в листьях. Затем они присоединили к CPP РНК, которая подавляет экспрессию этого белка. Распыление этого комплекса на листья успешно "замолчало" жёлтую флуоресценцию.

"Этот результат был критически важен, поскольку важно, чтобы любая альтернатива генной модификации могла достичь того же функционального результата", — отмечает Одахара.

Наконец, исследователям удалось аналогичным образом подавить гены, специфичные для хлоропластов, добавив к определённому CPP-РНК комплексу пептид, нацеленный на хлоропласты.

"Митохондрии и хлоропласты регулируют большую часть метаболической активности растения. Нацеливание на эти структуры с помощью биологически активных молекул, доставляемых через спрей, может эффективно улучшить экономически желательные качества урожая. Наш следующий шаг — повышение эффективности системы доставки. В конечном итоге мы надеемся, что эту систему можно будет использовать для безопасной защиты культур от паразитов или других вредных факторов", — говорит Одахара.