Чтобы изменить окраску цветка, селекционерам потребуется немало времени для скрещивания, искусственного отбора или гибридизации растений. Генетикам в этом смысле проще, ведь у них есть революционный инструмент для редактирования генов CRISPR/Cas9. Именно эта технология помогла японским исследователям впервые изменить цвет цветков декоративного растения. Причём не на один тон или ближайший оттенок, а кардинально.
Команда из Цукубского университета для работы выбрала растение под названием ипомея (Ipomoea nil, также известно как асагао). Эти вьюнковые в Японии пользуются большой популярностью: в местных садах их можно встретить очень часто.
Вид, с которым экспериментировали учёные, является модельным растением, которое активно изучается в рамках Японского национального проекта BioResource (Japanese National BioResource Project). В ходе предыдущих работ исследователи расшифровали геном ипомеи и придумали наиболее оптимальные методы редактирования ДНК.
Поясним, что, как правило, цветы асагао имеют синие или фиолетовые оттенки. Однако выключение всего лишь одного гена превратило их в абсолютно белые. Этот ген, который блокировали генетики, называется DFR-B (дигидрофлавонол-4-редуктаза-B). Он кодирует фермент биосинтеза антоциана – органического соединения, которое отвечает за цвет стеблей, листьев и цветков растения (антоциан обеспечивает красную, фиолетовую и синюю окраску).
Основная сложность заключалась в том, что рядом с DFR-B располагаются два других родственных гена – DFR-A и DRF-C. Специалисты должны были провести ювелирную работу – выключить нужный ген, не затронув другие. Инструмент CRISPR/Cas9 был выбран как раз из-за его точности.
Напомним, что фермент Cas9 режет нити ДНК в заданном месте, позволяя удалять или добавлять части ДНК. Учёные выбрали последовательность, которая содержит активный центр фермента, продуцируемого геном DFR-B. Разрушение этой последовательности должно деактивировать фермент, что приведёт к отсутствию цветного пигмента антоцианина.
Система CRISPR – это основной защитный механизм бактерий (она помогает микроорганизмам вырабатывать иммунитет под постоянным натиском вирусов в их среде). Учёные использовали возможности переноса ДНК бактерии Rhizobium (они колонизируют клетки корня растения).
Как и ожидалось, ген DFR-B удалось успешно отключить, и в результате 75% растений, которые использовались в эксперименте, дали белые цветки и зелёные стебли. Тем временем растения, не подвергишиеся трансформациям и с активным ферментом, имели фиолетовые стебли и цветки.
Изменения в трансгенных растениях становились заметными очень рано – уже в процессе выращивания культуры тканей (это способ искусственного вегетативного размножения растений). Ряд последующих анализов подтвердил, что у этих растений последовательности ДНК, ставшие мишенями для CRISPR/Cas9, действительно изменились. Специалисты наблюдали либо фрагменты новой ДНК на месте искомой, либо делецию (хромосомные перестройки, при которых происходит потеря участка) в обеих копиях гена DFR-B.
В родственных генах DFR-A и DFR-C никаких мутаций не обнаружилось, что в очередной раз подтверждает точность инструмента CRISPR/Cas9, добавляют авторы.
Однако на этом их работа не закончилась: команда также исследовала наследственные мутации, изучив следующее поколение растений. Они выглядели точно так же, как и их "родители". Любопытно, что среди следующего поколения некоторые растения вообще не имели никаких признаков встроенной ДНК (что, кстати, уже не позволяет назвать их трансгенными или ГМ-организмами).
Авторы уверены, что их работа значительно облегчит будущие исследования возможностей технологии CRISPR/Cas9, а также будет полезна для селекционеров и специалистов, занимающихся "улучшением" растений. В этой сфере, кстати, есть и другие успехи: например, ранее редактирование генов заставило работать скрытый потенциал томатов.
Научная статья японских учёных опубликована в издании Scientific Reports.
К слову, технология CRISPR успешно применяется и для модификации животных. К примеру, она помогла создать антисоциальных муравьёв-мутантов, коров, которым не страшен туберкулёз, а также комаров, которые перестали переносить малярию.
