Улучшение сельскохозяйственных культур и устойчивость к патогенам благодаря изучению некодирующих РНК
Растущее население мира увеличивает спрос на сельхозпродукцию, в то время как площади пахотных земель сокращаются, а использование пестицидов и удобрений наносит вред окружающей среде и здоровью человека. Это заставляет искать новые решения для повышения урожайности и устойчивости культур.
Использование некодирующих РНК (нкРНК) для улучшения сельхозкультур представляет собой новую альтернативу. НкРНК — это транскрипты, которые не кодируют белки, но играют важную регуляторную роль в клетке, что исключает производство чужеродных белков. Они делятся на две основные группы: малые нкРНК (siRNA, miRNA, piRNA) длиной 20-30 нуклеотидов и длинные нкРНК длиной более 200 нуклеотидов.
В обзоре «Non-coding RNAs as potent tools for crop improvement» в журнале National Science Review ученые Реньи Лю и Цзянькан Чжу отмечают, что нкРНК играют важную роль в регуляции генов. Малые РНК участвуют в РНК-направленном метилировании ДНК, защите от вирусов, подавлении транспозонов, ответах на абиотический и биотический стресс, репарации двунитевых разрывов ДНК и развитии растений.
РНК-интерференция (RNAi) для улучшения культур
RNAi-технологии успешно применяются для:
- Повышения питательной ценности: подавление ключевых генов метаболических путей позволяет накапливать больше полезных метаболитов или снижать содержание нежелательных компонентов. Примеры: кукуруза с увеличенным содержанием незаменимых аминокислот, соя, рапс и хлопок с улучшенным составом жирных кислот, пшеница с повышенным содержанием клетчатки, люцерна и тополь с пониженным содержанием лигнина, соя, рис, арахис и яблоки с уменьшенным количеством аллергенов.
- Приобретения устойчивости к вредителям и патогенам.
Редактирование генома с помощью CRISPR/Cas
Новой и перспективной технологией на основе нкРНК является система CRISPR/Cas для редактирования генов. Изначально это бактериальная защитная стратегия против чужеродной ДНК. В растениях экспрессируются engineered sgRNA и эндонуклеаза Cas9, которая создает двунитевые разрывы ДНК в целевых генах, комплементарных последовательностям sgRNA. В результате репарации ДНК достигаются мутации или исправления целевых генов. Эта технология — мощный инструмент для функциональной геномики растений и улучшения культур.
Ученые прогнозируют, что по мере накопления геномных данных о культурах, вредителях и патогенах, RNAi-технологии смогут сыграть важную роль в достижении других целей, таких как повышение урожайности и устойчивости к абиотическим стрессам.