Выращивание трансгенных растений за недели вместо месяцев, используя естественные способности растений к регенерации

Биологи растений разработали метод выращивания трансгенных и отредактированных растений, который сокращает медленный и дорогой процесс с месяцев до недель.

Метод, описанный в Molecular Plant, использует естественную способность растений к регенерации после повреждения или обрезки. Вводя бактерии, несущие генетические инструкции для заживления ран и регенерации, в место среза обрезанного растения, исследователи стимулировали рост новых побегов, часть из которых оказалась трансгенной или отредактированной.

Метод показал потенциал даже для видов, которые обычно трудно или невозможно регенерировать, таких как соя.

"Регенерация растений долгое время была основным ограничением в биотехнологии сельскохозяйственных культур", — говорит старший автор, специалист по геномике растений Ганвант Патил из Техасского технологического университета.

"Наш метод использует присущую растению регенеративную способность для быстрого получения отредактированных побегов, минуя месяцы традиционной культуры тканей. Это нововведение может переопределить то, как мы создаем улучшенные сорта сельскохозяйственных культур следующего поколения".

Обычно при создании трансгенных или отредактированных растений биологи редактируют ДНК отдельной растительной клетки, которую затем стимулируют к росту в новое растение. Для таких видов, как томаты, которые относительно легко регенерировать, этот процесс занимает не менее четырех месяцев; для более сложных видов, таких как хлопок, — почти год; а для некоторых растений, таких как бобы и перец, культура тканей крайне затруднена.

Чтобы ускорить этот процесс, исследователи использовали естественную способность растений к регенерации после повреждения.

Когда растение получает рану, запускается молекулярный каскад, который сначала запечатывает рану, создавая твердую каллусную ткань, а затем стимулирует деление и дифференцировку клеток для замены утраченной ткани. Этот процесс регулируется белком WIND1, который активирует цепочку других белков, участвующих в дифференцировке клеток и росте побегов.

"Это как эстафета: как только активируется WIND1, он активирует следующий этап, ESR1, который затем активирует следующий", — объясняет Патил.

Чтобы одновременно индуцировать регенерацию и ввести новую ДНК в растения, исследователи использовали инфицирующую растения бактерию Agrobacterium, которая естественным образом вводит собственную ДНК в растительные клетки.

Они вставили генетические инструкции для WIND1, ESR1 и нескольких других генов регенерации в Agrobacterium вместе с геном, вызывающим красную окраску. Затем они обрезали растения и нанесли генетически модифицированную Agrobacterium на место среза.

"Вы обезглавливаете растение, инокулируете его Agrobacterium, и затем побеги, которые вырастают из раны, дадут семена, которые будут трансгенными или отредактированными", — говорит соавтор, специалист по геномике растений Луис Эррера-Эстрелья из Техасского технологического университета.

"Эта техника может помочь нам трансформировать виды, которые обычно очень трудно выращивать в культуре тканей, потому что она быстрее и естественнее".

Исследователи сначала протестировали технику на растениях табака, которые легко регенерировать. Они показали, что применение Agrobacterium ускоряет образование каллуса и рост новых побегов и успешно производит красные трансгенные побеги примерно в 35% случаев. При тестировании метода на томатах, которые выращивать немного сложнее, он давал трансгенные растения в 21% случаев.

Метод изначально не сработал на сое, которую крайне трудно регенерировать, но исследователям удалось заставить его работать с некоторыми изменениями. Вместо нанесения Agrobacterium на обрезанные побеги они нанесли бактерии на семена сои, стимулированные к прорастанию.

Затем они выращивали сою в культуре тканей в течение 3,5 недель перед пересадкой в почву. С этим модифицированным методом исследователи смогли получить трансгенные побеги в 28% случаев.

"При использовании обычного метода нам нужно выращивать сою в культуре тканей не менее 3–4 месяцев, поэтому сокращение этого времени до 3,5 недель — огромный прогресс", — говорит Патил. "Это первый шаг, и сейчас мы работаем над доработкой этой технологии, чтобы применять ее к более сложным культурам, таким как нут, фасоль и многие другие".