Все большему числу сельскохозяйственных культур необходимо приспосабливаться к более широкому диапазону условий, включая засуху, засоление и жару. Традиционная селекция растений позволяет отбирать желаемые признаки, но ограничена уже существующим генетическим разнообразием растений. Во многих культурах одомашнивание и долгосрочная селекция сузили генетическое разнообразие, что ограничивает усилия по разработке новых сортов.

Чтобы обойти эти ограничения, исследователи разработали способы внедрения полезных признаков, таких как засухоустойчивость или солеустойчивость, в растения посредством мутационной селекции. Это предполагает преднамеренное внесение случайных генетических изменений в растения. Затем исследователи проводят скрининг генетически модифицированных растений, чтобы определить, какие из них приобрели полезные признаки.

Один из широко используемых подходов основан на использовании радиации для создания структурных вариантов — крупномасштабных изменений ДНК, которые могут затрагивать сразу несколько генов. Однако облучение создает логистические и нормативные препятствия, которые ограничивают круг лиц, имеющих право его использовать, и виды сельскохозяйственных культур, которые можно изучать.

Новый химический метод для изучения генетических изменений

В статье, опубликованной в журнале PLOS Genetics , Мэри Геринг, член Института Уайтхеда, и ее коллеги предлагают новый метод генерации крупномасштабных генетических изменений без облучения.

Ведущий автор Линдси Бечен, заведующая лабораторией Геринга; сам Геринг; бывший научный сотрудник П. Р. В. Сатьяки (ныне преподаватель Университета Торонто) и их коллеги разработали этот подход, подвергая прорастающие семена воздействию этопозида , химиотерапевтического препарата, на ранних стадиях роста.

Препарат воздействует на фермент, который помогает регулировать структуру ДНК во время деления клеток. Когда клетки пытаются восстановить образовавшиеся разрывы в своей ДНК, ошибки в процессе восстановления могут привести к масштабным перестройкам генома. Семена, собранные с обработанных растений, несут эти изменения в наследственной форме.

Процесс основан на стандартных лабораторных методах: семена проращивают на питательной среде, содержащей лекарственное средство, а затем пересаживают в почву для завершения их жизненного цикла.

«Я был удивлен, насколько это эффективно», — говорит Геринг, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и научным сотрудником HHMI. «Разнообразие новых признаков, которые можно было увидеть, просто взглянув на растения первого поколения, было огромным».

Результаты, полученные на арабидопсисе и голубином горохе

Исследователи продемонстрировали метод на Arabidopsis thaliana, модельном растении, широко используемом в генетических исследованиях. Примерно две трети обработанных линий растений показали видимые различия, включая изменения формы листьев, размера растения, пигментации и фертильности. Генетический анализ связал эти признаки с делециями, дупликациями и перестройками сегментов ДНК.

В нескольких случаях команда исследователей связала конкретные признаки растений с индивидуальными генетическими изменениями. Карликовое растение с толстыми стеблями и необычными листьями имело крупное изменение, нарушившее работу гена, участвующего в развитии листьев. Другое растение, отличавшееся зелено-белыми пятнистыми листьями, имело делецию в гене IMMUTANS — том же гене, который был идентифицирован у мутантов, вызванных радиацией, описанных более 60 лет назад.

Помимо арабидопсиса, лаборатория Геринга применяет эту методику к голубиному гороху, засухоустойчивому бобовому растению и важному источнику пищевого белка в некоторых частях Азии и Африки. Голубиный горох — это недооцененная культура, которая потенциально может стать основной сельскохозяйственной культурой, если удастся преодолеть недостаток генетического разнообразия, вызванный историческим «узким местом» в культивировании.

Такие виды, как голубиный горох, часто называют «забытыми культурами», и их исследованиям уделяется мало внимания, поскольку им зачастую не хватает генетического разнообразия, необходимого для выведения улучшенных сортов.

«Все признаки, которые мы хотели бы видеть у голубиного гороха, отсутствуют в существующей популяции», — говорит Геринг. «Идея состоит в том, чтобы провести крупномасштабный эксперимент по мутации для увеличения генетического разнообразия».

Группа исследователей, в которую входит научный сотрудник лаборатории Геринга Соня Бур, в настоящее время проводит скрининг обработанных линий голубиного гороха на устойчивость к соли — признак, определяющий места выращивания культуры и ее характеристики на засоленных почвах. Хотя голубиный горох растет дольше, чем арабидопсис, исследователи достигли второго поколения и выявили несколько линий, демонстрирующих многообещающие результаты в условиях засоления.

Преимущества перед редактированием генов и планы на будущее

Химический подход исследователей может быть полезен и для сельскохозяйственных культур, которые трудно модифицировать с помощью инструментов редактирования генов, таких как CRISPR. Хотя CRISPR позволяет вносить точные генетические изменения, он часто основан на генетической трансформации, технически сложном этапе для многих видов растений.

«Многие виды, с которыми мы работаем в сельском хозяйстве или садоводстве, не поддаются генетической трансформации», — говорит Геринг.

Новый метод дополняет существующие генетические инструменты, а не заменяет их. Предоставляя более доступную альтернативу облучению, химическая мутация может расширить возможности крупномасштабных генетических изменений и создания новых сортов растений.

В перспективе лаборатория Геринга планирует разработать обширные коллекции мутантов Arabidopsis, несущих хорошо изученные структурные варианты.

Подобные ресурсы могли бы помочь исследователям лучше понять, как крупномасштабные изменения в структуре генома влияют на развитие и продуктивность растений, что послужит основой для будущих исследований и усовершенствования сельскохозяйственных культур.