Управление наследованием у растений стало возможным

Новое применение молекулярных ножниц CRISPR/Cas обещает значительный прогресс в селекции растений. Исследователям из Технологического института Карлсруэ (KIT) под руководством молекулярного биолога Хольгера Пухты впервые в мире удалось с помощью CRISPR/Cas модифицировать последовательность генов на хромосоме. Они взяли известную хромосомную модификацию у модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) и показали, как можно обратить вспять инверсию последовательности генов и тем самым целенаправленно контролировать наследование. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Около 5000 лет назад генетическая информация резуховидки Таля изменилась: на хромосоме 4 произошла инверсия — хромосома разорвалась в двух местах, а вырезанный фрагмент встроился обратно, но повернутый на 180°. Последовательность генов на этом участке оказалась инвертированной. Эта известная мутация "Knob hk4S" — пример того, как эволюция может надолго закреплять изменения в генетическом материале. "В инвертированных участках гены не могут обмениваться между гомологичными хромосомами при наследовании", — объясняет Хольгер Пухта.

Устранение препятствия для селекции

Инверсии встречаются не только у дикорастущей резуховидки, но и у культурных растений, создавая препятствие для селекции, цель которой — повышение урожайности, улучшение вкуса и устойчивости к болезням, вредителям и экстремальным условиям.

Впервые исследователям из KIT удалось обратить вспять естественные инверсии. "Мы значительно расширили применение молекулярных ножниц CRISPR/Cas, — говорит Пухта. — Мы используем их не только для обмена плечами между хромосомами, но и для рекомбинации генов на одной хромосоме. Мы впервые показали, что можно напрямую управлять процессами наследования и добиться генетического обмена в области, где это было невозможно раньше. Так мы заложили основы хромосомной инженерии как нового направления в селекции растений".

Точные разрезы и новые возможности

Совместно с коллегами из Института генетики растений и исследований культурных растений им. Лейбница (IPK) и Амстердамского университета ученые KIT на примере инверсии hk4S на хромосоме 4 резуховидки показали, как можно отменить эту инверсию и добиться генетического обмена в селекции. Исследователи также полагают, что с помощью CRISPR/Cas можно создавать новые инверсии, что станет еще одним шагом к комбинированию желательных и устранению нежелательных признаков у культурных растений.

Хольгер Пухта, пионер редактирования генома с помощью молекулярных ножниц, сейчас руководит проектом CRISBREED, который фокусируется на рекомбинации растительных хромосом с помощью технологии CRISPR/Cas. За этот проект он во второй раз подряд получил престижный грант Advanced Grant от Европейского исследовательского совета (ERC).