Направленная эволюция приходит к растениям

Команда под руководством Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) разработала новую платформу для ускорения и контроля эволюции белков внутри живых растений.

Ранее подобные системы направленной эволюции были возможны только для вирусов, бактерий, дрожжей и клеточных линий млекопитающих. Саудовское исследование — часть инициативы KAUST «Пустынное сельское хозяйство» — расширило технику на рис и другие пищевые растения. Теперь у селекционеров есть простой способ быстро создавать новые сорта сельскохозяйственных культур, способные противостоять сорнякам, болезням, вредителям и другим стрессам.

«Мы ожидаем, что наша платформа будет использоваться для биоинженерии сельскохозяйственных культур с целью улучшения ключевых признаков, влияющих на урожайность и иммунитет к патогенам», — говорит руководитель группы Магди Махфуз. — «Эта технология должна помочь повысить устойчивость растений в условиях изменения климата».

Для создания платформы направленной эволюции Махфуз и его коллеги использовали комбинацию направленного мутагенеза и искусственного отбора у риса Oryza sativa. Они применили инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы создать разрывы ДНК более чем в 100 сайтах гена SF3B1, который кодирует белок, участвующий в процессинге транскриптов других генов. После такой манипуляции с ДНК небольших пучков клеток риса исследователи вырастили мутировавшие проростки в присутствии гербоксидиена — гербицида, который обычно связывается с белком SF3B1 и ингибирует рост и развитие растений.

Эта стратегия в итоге дала более 20 новых вариантов риса с мутациями, которые в разной степени обеспечивали устойчивость к гербоксидиену. В сотрудничестве с группой Стефана Арольда из Исследовательского центра вычислительной биологии KAUST команда охарактеризовала структурную основу устойчивости, показав, например, как определенные мутации дестабилизируют связывание гербицида с белком SF3B1.

Гербоксидиен не широко используется в промышленном сельском хозяйстве, но та же базовая стратегия направленной эволюции теперь может быть применена для создания культур, устойчивых к более распространенным гербицидам. Это позволит уничтожать нежелательные растения вокруг, оставляя нетронутой культивируемую культуру.

«Это исследование, доказывающее принцип, с широкой применимостью», — говорит первый автор статьи Харун Батт. — «Наша платформа имитирует дарвинизм, и давление отбора помогает закрепить развитие новых вариантов генов и признаков, которые были бы невозможны любым другим известным методом».

Селекционеры также могут начать эволюционировать практически любой интересующий признак.