Ученый о трансформации растений для экологичного будущего
Исследования Сяохана Яна в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) сосредоточены на трансформации растений, чтобы сделать их лучшими источниками возобновляемой энергии и хранения углерода.
Он работает в Центре инноваций в области биоэнергетики (CBI), где ученые разрабатывают сырьевые культуры, такие как тополя, которые быстро растут, требуют меньше воды и удобрений и легко расщепляются для преобразования в устойчивое авиационное топливо.
Что такое трансформация растений?
Это перенос ДНК от одного растения к другому для создания улучшенного гибрида. Ученые идентифицируют ген или группу генов, связанных с желаемым признаком (например, засухоустойчивость или высокая урожайность), и вставляют их в другое растение. Цель — заставить растение-мишень проявить нужный признак.
Успех трансформации определяется стабильностью признака, который должен наследоваться из поколения в поколение. В ORNL фокус — на растениях, которые легко и дешево выращивать, производя много биомассы для преобразования в чистое авиатопливо и биопродукты.
Почему это исследование важно?
Разработка и полевые испытания генетически стабильного трансформированного растения для коммерциализации могут занимать годы. Ускорение этого процесса критически важно для решения климатических проблем с помощью устойчивого авиатоплива и биопродуктов из растений, особенно непродовольственных культур, растущих на маргинальных землях.
Эти знания можно перенести на другие культуры, создавая растения, устойчивые к засухе, вредителям и болезням, с лучшим урожаем и качеством. Если заставить растения поглощать больше CO2 из атмосферы и передавать его в почву, это поддержит усилия по декарбонизации. В итоге получаем секвестрацию углерода в почве через корневую систему и биотопливо для самолетов из наземной биомассы.
Какие открытия уже сделаны?
Обнаружены гены у полузасушливых растений, связанные с устойчивостью к засухе и ускоренным ростом. Такие растения, как агава, развили особый тип фотосинтеза — CAM (кислотный метаболизм толстянковых). CAM-растения поглощают CO2 через устьица ночью, когда вода меньше испаряется, и преобразуют его в органическую кислоту для хранения.
Днем устьица закрыты, что сохраняет воду, а солнечный свет используется для преобразования CO2 в химическую энергию. Гены, связанные с CAM, были идентифицированы с помощью секвенирования РНК и ДНК у Agave americana и Kalanchoe fedtschenkoi.
Также обнаружен вариант гена в CAM, который одновременно запускает два пути: фиксацию углерода/рост растения и выработку пролина (аминокислоты, связанной с устойчивостью к стрессу). Табак с этим геном производил больше биомассы даже в условиях стресса. Ген действовал как главный регулятор, включая другие гены.
При секвенировании мРНК агавы был обнаружен ген REVEILLE1, контролирующий переход растения в состояние покоя и начало роста. Его перенос в тополь привел к созданию дерева, которое растет выше, с более крупными листьями и толстыми стеблями. Биомасса такого тополя в теплице увеличилась на 166%.
На чем сосредоточены сейчас?
Недавно был разработан и продемонстрирован способ ускоренной трансформации растений путем одновременного введения нескольких генов — генно-стекинг.
Создана система расщепляемого селективного маркера, ускоряющая трансформацию с использованием интеинов. Интеины — сегменты белков, способные самостоятельно вырезаться из более крупного белка, позволяя фрагментам повторно собраться в функциональный белок. Система включает маркеры, которые идентифицируют трансформированные клетки, поддерживают их стабильность и делают события генной инженерии обнаруживаемыми с помощью световых биосенсоров.
Эта система важна. Делая генетические изменения видимыми в ультрафиолетовом свете, можно использовать УФ-фонарик для быстрой проверки успешности трансформации, избегая трудоемкого и дорогого молекулярного анализа.
Продемонстрирована одновременная вставка четырех генов в тополь. Сейчас ведется работа над стекингом 12 генов для создания улучшенного гибрида. Метод можно усовершенствовать для стекинга до 20 генов. Этот новый подход — одно из важнейших достижений исследований биомассы CBI за последние 15 лет.
Какое будущее у трансформации растений?
Среднесрочная цель — интеграция разработанной системы биомаркеров с фенотипированием для создания ускоренной экосистемы генной инженерии растений. Технология позволяет создать неинвазивную, дешевую, высокопроизводительную систему фенотипирования на молекулярном, метаболическом и растительном уровнях.
Световой биосенсор может заменить медленный сбор данных фенотипирования на систему одноэтапного обнаружения в реальном времени, показывающую, успешно ли созданы растения с нужными признаками. Это потенциально прорывная инновация, подобная технологиям из научной фантастики для сканирования состояния здоровья.
Применение будет тестироваться в Advanced Plant Phenotyping Laboratory ORNL. Создается конвейер трансформации растений, начинающийся с синтетической биологии и связанный с ускоренным фенотипированием.
Долгосрочная цель — исследования в новой области: синтетическая геномика растений. Вместо модификации существующих генов можно спроектировать целую новую хромосому для тополя со всеми желаемыми признаками и добавить ее.
Эта техника уже продемонстрирована на дрожжах. Ученые надеются установить эту передовую возможность для растений в течение 10 лет. Аналогия: модернизировать 100-летний дом сложно, проще построить новый, спроектированный со всеми желаемыми функциями. В сообществе растениеводов много энтузиазма относительно потенциала синтетической геномики.