Создать аккаунт
Главные новости » Наука и технологии » Первый синтетический генный драйв растений может помочь искоренить сорняки

Первый синтетический генный драйв растений может помочь искоренить сорняки

0

Фото из открытых источников
Более десяти лет назад исследовательская группа использовала редактор генома CRISPR, чтобы ускорить эволюцию, стимулируя распространение гена по популяции выращенных в лаборатории плодовых мух во много раз быстрее, чем это обычно происходит в природе. Вскоре появились комары с «генными драйвами» на основе CRISPR, а несколько лет спустя — мыши — достижения, которые принесли с собой сложную смесь технологических перспектив и этической сложности. Сторонники рекламируют генные драйвы как способ предотвратить болезни, передающиеся насекомыми, уничтожить крыс и других инвазивных существ и даже помочь предотвратить исчезновение исчезающих видов. Но один набор организмов остался в стороне от волнения: растения.
 
Теперь генетики сообщают, что синтетические генные драйвы могут работать и во флоре. Обходя давнее препятствие, две команды независимо друг от друга создали Arabidopsis thaliana , небольшую горчицу, популярную для лабораторных работ, несущую генетическую полезную нагрузку, которая наследуется до 99% потомков. Моделирование предполагает, что аналогичный ген может проникнуть в естественную популяцию растений через 10–30 поколений. «То, чего они достигли, просто поразительно», — говорит Пол Неве, специалист по сорнякам из Копенгагенского университета. «Это умно и инновационно».
 
В двух статьях в журнале Nature Plants команды ученых описали имитацию естественного генного драйва с использованием «эгоистичных» генетических последовательностей, известных как элементы токсина-противоядия. Их успех открывает возможность борьбы с сорняками, которые эволюционировали и стали устойчивы ко многим гербицидам. Или генный драйв может сделать виды менее доставляющими беспокойство, чтобы они могли продолжать обеспечивать пищу и среду обитания для опылителей и других диких животных.
 
Система генного драйва растений может оказаться «действительно ценной для устойчивой борьбы с сорняками», — говорит Митхила Джугулам, физиолог сорняков и молекулярный биолог из Университета штата Канзас. Но Тодд Гейнс, биолог по сорнякам из Университета штата Колорадо, предупреждает: «Я вижу множество препятствий», включая продажу фермерам технологии и получение одобрения регулирующих органов.
 
Прохождение генетически модифицированных (ГМ) культур через агентства США, включая Министерство сельского хозяйства, которое уполномочено минимизировать риск возникновения новых сорняков и вредителей, по-прежнему является долгим и дорогостоящим процессом. Итак, добиваемся разрешения на выпуск ГМ-сорняков? «Это ужасная история в процессе создания», — говорит специалист по борьбе с сорняками из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне Патрик Транел.
 
Естественные генные драйвы, случаи нарушения правил наследования, редки. Обычно каждая копия гена, называемая аллелью, имеет шанс быть унаследованной. Однако некоторые так называемые эгоистичные участки ДНК развили способы обмана других аллелей, становясь все более распространенными в популяции, даже если они не способствуют успеху организма.
 
Многие из новейших искусственных генных драйвов основаны на CRISPR, который может значительно повысить вероятность наследования последовательности ДНК. Они состоят из ДНК редактора генома, а также любого прикрепленного гена, встроенного в одну из двух копий хромосомы, которую животное наследует от своих родителей. Во время размножения последовательность дублируется с остальной частью хромосомы, как и любой природный ген. Но затем редактор генома вставляет эту последовательность и в другую хромосому. Его наследование следующим поколением, уже не просто подбрасывание монеты, становится почти неизбежным.
 
Растения могут препятствовать стандартному генетическому захвату, управляемому CRISPR, благодаря одному из механизмов репарации ДНК. Но некоторые растения и животные содержат элементы токсинов-антидотов. Эти последовательности, соединяющие два гена, распространяются по популяции, пользуясь перетасовкой хромосом при воспроизводстве. В одном из проявлений системы гаметы, такие как пыльца или сперматозоиды, которые наследуют только ген токсина, обречены, в то время как те, у кого есть вся ДНК токсина-противоядия, выживают.
 
Новый генный драйв растений включает в себя три элемента. Фермент, разрезающий ДНК Cas9, входящий в состав редактора генома CRISPR, находит и отключает обе копии гена (мишени), необходимого для выживания клеток. Ген спасения, вставленный вместе с CRISPR, выполняет ту же функцию, но не отключается Cas9. Когда хромосомы перетасовываются, когда растение генерирует пыльцу или семяпочки, некоторые из этих гамет остаются без спасательного гена и умирают (серый цвет). Остальные выживают, и как генный драйв, так и прикрепленный к нему ген-карго становятся более распространенными в следующем поколении.
 
Вдохновленный идеей токсина-противоядия, генетик Брюс Хэй из Калифорнийского технологического института и его коллеги в 2019 году начали разработку генного драйва для насекомых, который они назвали системой «Расщепление и спасение». Он использовал расщепляющий ДНК фермент Cas9 CRISPR, чтобы вырезать и отключить важный ген в гаметах, обрекая некоторых из них. Но носители генного драйва выжили, потому что получили резервную версию этого гена, слегка модифицированную, чтобы избежать расщепления, а также второй ген, перенесенный в выжившие гаметы. В этом сценарии CRISPR создал токсин (несуществующий основной ген), а устойчивая к CRISPR спасательная копия является противоядием, которое позволяет сперматозоидам или яйцеклеткам жить.
 
Команда поняла, что этот подход должен работать и на заводах. В своей новой статье группа описывает систему, которая вырезает и блокирует целевой ген YKT61, который необходим растительным клеткам для правильной обработки белков и липидов. Генный драйв также включал спасательный ген, версию YKT61 от родственника Arabidopsis, которая достаточно отличается, чтобы CRISPR не рассматривал ее как мишень. Прикрепив к генам CRISPR промотор, они создали растения, которые включают этот редактор в гаметах.
 
Пыльца и семяпочки, несущие генный редактор, выживают благодаря гену спасения. Те, у кого нет, умирают, когда CRISPR уничтожает их YKT61 . Чтобы показать, что это может привести к быстрому распространению гена, команда прикрепила маркерный ген, который окрашивает выжившие семена в красный цвет. Генный драйв оказался эффективным : от 97% до 99% арабидопсиса давали красные семена. И это было стабильно, продолжаясь на протяжении пяти поколений.
 
В Китае вторая команда применила тот же подход и добилась аналогичных результатов. Под руководством Вэньфэна Цяня, биолога-синтетика из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук и Пекинского университета, они выбрали для вырезания CRISPR другой ген, необходимый для прорастания пыльцы. Красный маркер группы обнаруживался в 88–99% семян в течение двух поколений. Момент, когда сотрудники лаборатории открыли семенные коробочки, был «захватывающим», вспоминает Цянь.
 
Успехи предлагают новые способы борьбы с сорняками, которые развили устойчивость к множеству гербицидов. Возьмем, к примеру, амарант (Amaranthus Palmeri), растение, которое может погубить такие культуры, как соевые бобы, и вызвать аллергию у людей. Обе команды подсчитали, что через 10–30 поколений их генный драйв может насытить любую популяцию растений геном, вызывающим полную стерильность. Или он может распространить карго-ген, который сделает сорняк более безвредным, не уничтожая его – возможно, сделав растение неаллергенным.
 
Хэй говорит, что генный драйв, направленный на искоренение сорняков, может быть разработан таким образом, чтобы генетическая рекомбинация — перетасовка ДНК, происходящая в репродуктивных клетках — в конечном итоге разделяла его генетические компоненты и отключала его, снижая риск того, что фатальный генный драйв распространится на сорняки за пределы фермерского поля. «Очень важно, чтобы технология могла быть целенаправленной, но не полностью разрушительной», — говорит Кан Ванг, генетик растений из Университета штата Айова. «Это часть, которую я действительно ценю».
 
Каким бы безопасным ни был синтетический генный драйв, он может иметь ограниченную привлекательность для сельскохозяйственных применений, говорит Нив. Десятилетие ожидания искоренения сорняков может оказаться неудачей для фермеров. Модель также предполагает, что фермеры будут увеличивать существующую популяцию сорняков, добавляя на 10% больше сорняков, несущих генный драйв, что требует большего количества посадок и большего потребления растениями воды и питательных веществ. Хэй рассматривает генный драйв как дополнение к другим мерам, представляя, что фермеры будут каждый год сажать вокруг своих полей небольшое количество сорняков, несущих генный драйв, постепенно сводя популяцию сорняков к нулю.
 
Транел говорит, что существует также основное биологическое ограничение. Генные драйвы работают только у растений, которые распространяются путем опыления соседей, а многие вредные сорняки этого не делают. Амарий гладкий и амарий краснокорневой — это серьезные головные боли, поскольку каждое растение опыляет само себя, поэтому генный драйв застревает в парке. Растения также могут выработать устойчивость к генным механизмам токсин-антидот, добавляет Нив, так же, как и к гербицидам. «Это не панацея и не окончательный вариант борьбы с сорняками», — говорит Транел.
0 комментариев
Обсудим?
Смотрите также:
Продолжая просматривать сайт politus.ru вы принимаете политику конфидициальности.
ОК