Генная инженерия растений для изменения цвета при обнаружении загрязняющих веществ может помочь ученым лучше понять их потребности и окружающую среду.
Благодаря некоторым генетическим уловкам растения теперь могут «говорить» цветом. Группа исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде взломала естественную систему реагирования на стресс у Arabidopsis thaliana, небольшого белоцветового растения из семейства горчичных, которое служит обычным модельным организмом в лабораториях по биологии растений. При воздействии пестицида азифос-этил A. thaliana меняет цвет с зеленого на красный, четко сигнализируя о загрязнении.
«Это однозначный отчет о том, что находится в окружающей среде», — говорит Иэн Уиледон, соруководитель исследования и профессор химической инженерии в Калифорнийском университете в Риверсайде. Он считает, что предоставление растениям возможности делиться тем, что они испытывают, способом, видимым невооруженным глазом, углубит понимание их людьми.
Идея использования растений в качестве экологических часовых не нова. Много лет назад биологи растений заметили, что тротил (ТНТ, взрывчатое вещество) накапливается в тканях корней, удушая растения. Исследователям удалось вырастить растения, которые могли обнаруживать ТНТ в почве, но передача этой информации людям была сложной. В 2016 году биологи из MIT выяснили, как заставить их светиться в инфракрасном свете перед камерой, подключенной к компьютеру, который затем мог отправлять электронное оповещение.
Существуют менее технологичные методы подтверждения того, было ли растение подвержено воздействию загрязняющих веществ, например, доставка образцов в лабораторию для тестирования, но это может быть дорогостоящим и трудоемким. Датчики в полевых условиях могут отслеживать такие показатели, как уровень освещенности, состояние почвы и влажность, но для них по-прежнему требуется источник питания, который в конечном итоге потребует обслуживания или полностью выключится.
Заставить растения просто менять цвет было бы намного проще. «Этот метод хорош тем, что не требует никакого специального оборудования. Вы просто видите это», — говорит Юньде Чжао, профессор клеточной и биологии развития в Калифорнийском университете в Сан-Диего, который не участвовал в этом проекте.
Это исследование, опубликованное на прошлой неделе в Nature Chemical Biology, является первым, в котором используется видимый маркер для обнаружения фосфорорганических пестицидов в растениях. Сложные инструменты синтетической биологии, позволяющие исследователям включать экспрессию генов в ответ на определенные экологические триггеры, уже существуют для биологических систем, таких как линии клеток человека и бактерии — одноклеточные организмы с коротким жизненным циклом. «В растениях эти инструменты очень ограничены», — говорит соруководитель исследования и биолог растений из Калифорнийского университета в Риверсайде Шон Катлер.
Манипулирование молекулярными путями в сложных многоклеточных растениях, на рост которых уходят месяцы, гораздо сложнее, чем проведение экспериментов на микроорганизмах, где ученый может внести генетические изменения и наблюдать за последствиями за один сеанс. В рамках этого проекта команда стремилась масштабировать эти инструменты, «создавая инструменты, которые позволяют нам программировать множество сложных входов и выходов в растительной системе», — говорит Катлер.
Команда спроектировала растения так, чтобы они реагировали на пестицид азифос-этил, который был запрещен в Европейском Союзе из-за его токсичности для млекопитающих. Они сделали это, перехватив гормональный путь, который растения используют для сигнализации о стрессе.