Генетически модифицированные культуры растений растут быстрее с помощью бактерий

Ученые использовали встроенную в растения способность к регенерации, чтобы выращивать модифицированные растения за недели, а не за месяцы, предлагая новый инструмент в биотехнологии растений.

Генное редактирование растений позволяет получать более богатый питательными веществами рис и витаминизированные помидоры. Но эти инновации часто достигаются только в результате долгой и кропотливой работы. Этот процесс обычно начинается не с цветка или клубня, а с отдельной растительной клетки. Исследователи модифицируют ДНК клетки и затем выращивают из нее растение. Если все пойдет хорошо, ученые смогут регенерировать растение из клетки за несколько месяцев; такие виды, как картофель и помидоры, являются впечатляющими регенераторами.

Недавно исследователи из Техасского технического университета разработали новый метод выращивания растений с измененными генами, который сокращает сроки регенерации с месяцев до нескольких недель. Этот сокращенный протокол, опубликованный в журнале Molecular Plant, может помочь изучить, как редактирование генов может улучшить рацион питания и защитить виды растений от изменения климата. “Регенерация растений долгое время была основным ограничением в биотехнологии сельскохозяйственных культур”, - рассказал соавтор исследования и специалист по геномике растений Гунвант Патила. “Наш метод использует присущую растению способность к регенерации для быстрого получения генноредактированных побегов, минуя месяцы традиционного культивирования”.

Специалисты по геномике в течение многих лет боролись за то, чтобы заставить упрямые виды растений вырасти заново в лабораторных условиях. Патил и его коллеги решили полностью отказаться от традиционных методик, воспользовавшись другим ключевым способом регенерации растений, который запускается, когда растение повреждено. Поврежденное растение образует толстый каллус, который блокирует место повреждения. Затем активизируются процессы репликации клеток для замещения поврежденной ткани. Это сложный процесс, в котором задействовано множество белков. Главным регулятором, управляющим регенерацией, является белок WIND1. Исследователи знали, что WIND1 может помочь растениям расти заново, но они также хотели внедрить в него чужеродные генетические элементы.

Для этого они обратились к бактериям, поражающим растения, под названием Agrobacterium. Этот микроб стал основой методов генной инженерии благодаря своей способности переносить гены между собой и растением, которое он инфицирует. Ученые модифицировали Agrobacterium, внедрив в его геном участки ДНК, которые кодировали WIND1 и другие белки, связанные с регенерацией. Затем им потребовалось тестовое растение, чтобы опробовать свою новую стратегию модификации генов. Сначала они поработали с Nicotiana benthamiana, близким родственником табака. Они повредили N. benthamiana, а затем нанесли модифицированные агробактерии на место раны. Важно отметить, что измененные бактерии также включали ген, который придавал желто-зеленым побегам N. benthamiana ярко-красный цвет. Всего через несколько недель у N. benthamiana появились новые побеги. Исследователи обнаружили, что генетически модифицированные агробактерии ускорили естественную регенерационную способность растения, что привело к более быстрому появлению новых побегов на месте повреждения. Примерно в трети случаев (35%) эти новые побеги были красными.

Растения семейства табачных славятся своей мощной способностью к регенерации, но ученые также испытали свой метод на других растениях, которые, как они ожидали, будут более устойчивы к восстановлению. У упрямых соевых бобов этот метод изначально не привел к окрашиванию побегов в красный цвет. Вместо этого исследователи добавили модифицированные агробактерии к проросшим семенам сои. После трех недель культивирования в тканях модифицированные семена были перенесены в почву, где более чем в четверти случаев появились красные всходы. По словам Патила, несмотря на необходимость возврата к лабораторному культивированию, этот протокол представляет собой улучшение по сравнению с традиционными методами. “При использовании традиционного метода нам необходимо выращивать соевые бобы в тканевой культуре не менее трех-четырех месяцев, поэтому сокращение этого времени до трех с половиной недель является огромным достижением”.

Теперь ученые хотят усовершенствовать свой метод на других, еще более сложных растениях. Хотя красные всходы могут быть просто декоративными, дальнейшие достижения могут помочь в создании более выносливых и вкусных культур. “Это первый шаг, и сейчас мы работаем над усовершенствованием этой технологии, чтобы применить ее к более сложным культурам, таким как нут, фасоль обыкновенная и многие другие”, - сказал Патил.