Глобальному производству продуктов питания все чаще угрожают последствия изменения климата. Поскольку наводнения, засухи и аномальная жара становятся все более частыми, сельскохозяйственные культуры должны иметь возможность адаптироваться быстрее, чем когда-либо.
Исследователи из Стэнфордского университета работают над способами манипулирования биологическими процессами в растениях, чтобы помочь им расти более эффективно и продуктивно в различных условиях. Дженнифер Брофи, доцент биоинженерии, и ее коллеги разработали серию синтетических генетических цепей, которые позволяют им контролировать решения, принимаемые различными типами растительных клеток. В статье, опубликованной недавно в журнале Science , они использовали эти инструменты для выращивания растений с измененными корневыми структурами. Их работа является первым шагом в разработке сельскохозяйственных культур, способных лучше собирать воду и питательные вещества из почвы, и обеспечивает основу для разработки, тестирования и улучшения синтетических генетических цепей для других применений в растениях.
«Наши синтетические генетические схемы позволят нам построить очень специфические корневые системы или очень специфические структуры листьев, чтобы увидеть, что оптимально для сложных условий окружающей среды , которые, как мы знаем, грядут», — сказал Брофи. «Мы делаем проектирование растений более точным».
Программный код для растений
Современные генетически модифицированные сорта сельскохозяйственных культур используют относительно простые, неточные системы, которые заставляют все их клетки экспрессировать гены, необходимые, скажем, для сопротивления гербицидам или вредителям. Чтобы добиться точного контроля над поведением растений, Брофи и ее коллеги создали синтетическую ДНК, которая по сути работает как компьютерный код с логическими вентилями, направляющими процесс принятия решений. В этом случае они использовали эти логические элементы, чтобы указать, какие типы клеток экспрессируют определенные гены, что позволило им регулировать количество ветвей в корневой системе, не изменяя остальную часть растения.
Глубина и форма корневой системы растения влияют на то, насколько эффективно оно извлекает различные ресурсы из почвы. Неглубокая корневая система с большим количеством ответвлений, например, лучше усваивает фосфор (который остается у поверхности), в то время как более глубокая корневая система, которая разветвляется на дне, лучше собирает воду и азот. Используя эти синтетические генетические схемы, исследователи могли выращивать и тестировать различные конструкции корней, чтобы создавать наиболее эффективные культуры для различных обстоятельств. Или, в будущем, они могли бы дать растениям возможность оптимизировать себя.
«У нас есть современные сорта сельскохозяйственных культур, которые утратили способность реагировать на то, где находятся питательные вещества в почве», — сказал Хосе Диннени, доцент биологии Школы гуманитарных и естественных наук и один из ведущих авторов статьи. «Тот же тип логических элементов, которые контролируют ветвление корней, можно использовать, скажем, для создания схемы, которая учитывает концентрации азота и фосфора в почве, а затем генерирует выходной сигнал, оптимальный для этих условий».
От модельных организмов до современных сельскохозяйственных культур
Брофи разработал более 1000 потенциальных цепей, позволяющих манипулировать экспрессией генов в растениях. Она проверила их на листьях табачных растений, пытаясь заставить клетки листа создавать светящийся в темноте белок, обнаруженный в медузах. Она нашла 188 работающих дизайнов, которые исследователи загружают в базу данных синтетических ДНК, чтобы другие ученые могли использовать их в своей работе.
Получив рабочий дизайн, исследователи использовали одну из схем для создания логических вентилей , которые изменяли бы экспрессию определенного гена развития в точно определенном типе корневой клетки Arabidopsis thaliana, небольшого сорного растения, которое часто используется в качестве модельный организм . Изменяя уровень экспрессии одного этого гена, они смогли изменить плотность ветвей в корневой системе.
Теперь, когда они продемонстрировали, что могут изменить структуру роста модельного организма, исследователи намерены применить те же инструменты к коммерческим культурам. Они изучают возможность использования своих генетических цепей для управления корневой структурой сорго, растения, которое может быть переработано в биотопливо, чтобы помочь ему поглощать воду и более эффективно осуществлять фотосинтез.
«Изменение климата меняет сельскохозяйственные условия, в которых мы выращиваем растения, от которых зависит еда, топливо, волокна и сырье для лекарств», — сказал Брофи. «Если мы не сможем выращивать эти растения в больших масштабах, мы столкнемся с множеством проблем. Эта работа должна помочь гарантировать, что у нас будут сорта растений, которые мы сможем выращивать, даже если условия окружающей среды, которые мы выращиваем их в менее благоприятных условиях».
