"Запрограммировать" на устойчивость

Interfax-Russia.ru — Сибирские ученые "отредактируют" гены сельскохозяйственных растений, чтобы повысить их устойчивость к засухе, засолению почв и повышенным температурам воздуха.

Фото пресс-службы ТГУ

Биологи Томского государственного университета (ТГУ) совместно с коллегами из Института цитологии и генетики (ИЦиГ) Сибирского отделения (СО) РАН и Института физиологии РАН планируют повысить толерантность растений к засухе, засолению почв и повышенным температурам с помощью модифицированных агробактерий. Представители этого рода (Agrobacterium) способны к горизонтальному переносу генов (то есть могут осуществлять взаимообратный перенос ДНК между собой и растениями), значит, их можно использовать для геномного редактирования.

"Суть метода заключается в следующем: агробактерии разводятся в определенной среде, затем в нее погружают подготовленные определенным образом цветочные побеги растения (цветонос). Бактерии, проникая в растение через пыльцевую трубку, передают последовательность ДНК, которая вносит мутацию в выбранный ученым растительный ген", — сообщила Interfax-Russia.ru научный сотрудник кафедры физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Биологического института (БИ) ТГУ Марина Ефимова.

"Нацелиться" на нужный ген позволяет новая технология редактирования геномов высших организмов, которая основана на иммунной системе бактерий — CRISPR/Cas9. Именно ее ученые используют в своей работе.

"Это инновационная технология функциональной геномики (раздел молекулярной генетики, посвященный изучению генома и генов живых организмов, всей совокупности генов организма или значительной их части — ИФ), позволяющая целенаправленно вносить изменения (нокаутные мутации) в выбранные гены-мишени и выявлять важные гены-кандидаты для повышения устойчивости и урожайности растений", — пояснила Ефимова.

По словам специалиста, новые свойства проявятся уже в следующем "поколении" растений.

"Семена, которые сформируются из цветоносов, которые погружали в суспензию с модифицированными агробактериями, уже могут быть носителями новой информации. Конечно, их еще ждет селекция на антибиотиках (это позволяет быстро выявить наличие изменений). Из отобранных семян вырастят растения, из них потом возьмут генетический материал, чтобы разными методами оценивать наличие "вставки", которую мы и хотим внести с помощью агробактерий", — объяснила биолог.

При этом, по словам Марины Ефимовой, растения с "отредактированными генами" не утратят своих ценных хозяйственных признаков и останутся безопасными для человека.

"Важно отметить, что подобные манипуляции с растениями не делают их генетически модифицированными организмами, так как в геном не вносятся чужеродные гены, что сохраняет их пищевую и экологическую безопасность", — подчеркнула она.

По данным пресс-службы университета, ученые уже провели серию экспериментов на Резушке (Резуховидке) Таля (Arabidopsis thaliana). Это растение — классический модельный объект для исследований, геном которого практически полностью секвенирован и насчитывает более 25 тыс. генов. Также Arabidopsis thaliana стало первым растением, побывавшим в космосе. Следующими объектами исследования станут рапс и лен.

"Пока мы находимся только на этапе внедрения агробактерий. То есть нам еще предстоит получить "новое поколение" растений и доказать, что они являются носителями определенного гена. После этого еще проводится очень много экспериментов, демонтирующих устойчивость (растений к определенным условиям – ИФ)", — пояснила собеседница Interfax-Russia.ru.

По информации вуза, проект реализуется в рамках стратпроекта ТГУ "Инженерная биология", поддержанного федеральной программой "Приоритет 2030". Результатами исследований ученые обещают поделиться через полтора года.

"Современное сельское хозяйство сталкивается с падением урожайности культур из-за многочисленных неблагоприятных факторов среды. Нехватка воды, ведущая к засухе и засолению почв, становится проблемой мирового масштаба. Раньше устойчивость растений повышали методами селекции, но это долгосрочный процесс, который, как и классическая генная инженерия, уступает в эффективности геномному редактированию", — добавила Марина Ефимова.

В свою очередь ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) и Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН придумали, как стимулировать рост растений с помощью фосфатсолюбилизирующих микроорганизмов.

"Фосфор является одним из важнейших макроэлементов для роста и развития растений. Он составляет от 0,2% до 0,8% их сухой массы и считается вторым по важности макроэлементом после азота. Однако далеко не всегда фосфор, содержащийся в почве, доступен корням растений", — говорится в статье издания СО РАН "Наука в Сибири".

Традиционно для решения этой проблемы используются фосфорные удобрения, однако и в этом случае большая часть вещества остается недоступна для корней растений. Помимо этого, длительное применение таких удобрений закисляет почву и загрязняет реки. При этом фосфатсолюбилизирующие микроорганизмы (их также называют почвенными бактериями) способны минерализовать нерастворимые фосфаты, делая их более доступными для растений.

"Использование микробов в сельском хозяйстве является достаточно новым словом в агробиотехнологиях. Во-первых, это природные удобрения, позволяющие значительно снизить применение химических веществ или вовсе отказаться от них", — цитирует издание младшего научного сотрудника ИХБФМ СО РАН Анну Тимофееву.

Во-вторых, по ее словам, высвобождение фосфатов необходимо и для другого принципиально важного для растений процесса — азотфиксации.

"Она тоже может осуществляться с помощью бактерий, которые атмосферный азот превращают в молекулярный и дают его корням. Оказалось, что этот процесс очень энергоемкий, и многие из азотфиксирующих бактерий являются одновременно фосфатсолюбилизирующими", — добавила специалист.

Вместе с тем, существуют почвенные бактерии, которые синтезируют сидерофоры — небольшие связывающие железо соединения с высоким сродством.

"Неорганическое железо трудно усваивается растениями из почвы, а сидерофор-продуцирующие микробы, которым оно также нужно для метаболизма, превращают неусвояемое железо в усвояемое и немного делятся им с корнями растений", — поясняет "Наука в Сибири".

Также исследователи установили, что эффективность использования фосфатов можно повысить, если "заразить" семена раствором бактериальных препаратов, стимулирующих минерализацию нерастворимых фосфатов и их усвоение корнями растений. По разным оценкам, грамотное применение микроорганизмов позволит для получения того же урожая снизить количество удобрений на 40-80%.