Crispr разрабатывает устойчивые виды городских деревьев

Понимание насущной потребности в устойчивых городских деревьях

Городские леса находятся под беспрецедентным стрессом. Повышение глобальных температур, продолжительные засухи, новые интродукции вредителей и вспышки патогенов убивают городские деревья с угрожающей скоростью. Во многих городах знаковые виды, которые выстилают улицы и заполняют парки - пепел, вяз, дуб и каштан - уничтожаются инвазивными насекомыми, такими как изумрудная болезнь ясеня и каштановые болезни. Традиционные методы размножения деревьев медленные, часто требующие десятилетий, чтобы произвести новый сорт, который может пережить эти давления. Эта временная шкала слишком длинная, чтобы идти в ногу с изменением климата и быстрым распространением вредителей.

Передовые генетические технологии, в частности CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), предлагают новый мощный подход. Благодаря точному и целенаправленному редактированию ДНК деревьев, CRISPR может ускорить развитие городских видов деревьев, которые обладают повышенной устойчивостью к экологическим стрессам. Эта новая область обладает потенциалом для сохранения и восстановления городских лесов, которые не только более долговечны, но и предоставляют критически важные экосистемные услуги - охлаждение, очистка воздуха, управление ливневыми водами и среда обитания биоразнообразия - для будущих поколений.

Что такое CRISPR и как он работает на деревьях?

CRISPR - это инструмент для редактирования генов, адаптированный из естественной бактериальной иммунной системы. Он использует направляющую молекулу РНК, чтобы направить белок Cas9 в конкретное место в геноме, где он делает точный разрез. Собственный механизм восстановления ДНК клетки затем восстанавливает разрез, позволяя ученым удалять, вставлять или модифицировать генетические последовательности. В отличие от традиционной генетической модификации, которая часто вставляет чужеродную ДНК, CRISPR может производить очень небольшие целевые изменения, которые неотличимы от естественных мутаций.

Применение CRISPR к деревьям сложнее, чем работа с однолетними культурами. Деревья имеют большие, часто полиплоидные геномы, и у них длительное время генерации, что делает традиционное редактирование и отбор генов медленнее. Однако недавние достижения в области культуры тканей, методов трансформации и использования соматического эмбриогенеза позволили редактировать геномы деревьев в лаборатории, а затем регенерировать целые растения из отредактированных клеток. Например, исследователи успешно использовали CRISPR для редактирования генов в тополях, цитрусовых, яблонях и вязах, демонстрируя осуществимость этой технологии у нескольких древесных видов.

Одним из ключевых преимуществ CRISPR в селекции деревьев является способность вводить черты диких родственников или даже других видов без длительного обратного скрещивания, необходимого при обычном разведении. Это может позволить городским лесникам выращивать деревья, которые, например, естественным образом устойчивы к конкретному грибку или насекомому, уменьшая потребность в химических пестицидах и интенсивном управлении.

Основные отличия от ГМО: Отредактированные CRISPR деревья часто классифицируются иначе, чем трансгенные ГМО, в зависимости от нормативной базы. Если редактирование включает небольшое удаление или точечную мутацию, которая может произойти естественным образом, некоторые регулирующие органы рассматривают его как нетрансгенный организм. Это различие может оптимизировать процессы утверждения и улучшить общественное признание, хотя дебаты продолжаются.

Ключевые применения CRISPR для устойчивости деревьев

Засуха и жаротолерантность

По мере того, как городские острова тепла усиливаются, деревья должны выдерживать более высокие температуры и снижать доступность воды. CRISPR может использоваться для изменения генов, связанных со стоматальной регуляцией, корневой архитектурой и осмотической регулировкой. Например, редактирование гена OST1 в тополе, как было показано, повышает эффективность использования воды. Аналогичным образом, повышение экспрессии белков теплового шока может помочь деревьям пережить тепловые волны. Эти изменения могут производить деревья, которые требуют меньше орошения и с большей вероятностью выдержат длительные сухие периоды, критическая черта, поскольку климатические прогнозы указывают на более частые и сильные засухи во многих городских районах.

Сопротивление вредителям

Инвазивные насекомые являются одной из самых больших угроз городским деревьям. Изумрудный пепел-борер убил сотни миллионов золовых деревьев только в Северной Америке. Исследователи используют CRISPR для введения генов устойчивости от других видов деревьев или для изменения генов, которые делают деревья восприимчивыми. Например, выбивая ген восприимчивости в пепле, ученые надеются создать деревья, которые бургер не может успешно колонизировать. Аналогичные подходы изучаются для азиатского длиннорогого жука, цыганской моли и жука амброзии красного дерева.

Сопротивление болезням

Грибковые и бактериальные патогены исторически уничтожали популяцию городских деревьев. Поражения каштана, голландская болезнь вязов и бактериальный обжор листьев - это всего лишь несколько примеров. CRISPR предлагает целевой путь для повышения устойчивости к болезням. Заметным успехом является работа над американским каштаном: используя немного другой подход к редактированию генов (трансгенное добавление гена оксалатоксидазы из пшеницы), полученный каштан Darling 58 показывает сильную устойчивость к каштановому окрашиванию. В то время как этот пример использует трансгенные методы, CRISPR в настоящее время применяется для создания аналогичных правок непосредственно в геноме каштана, стремясь к нетрансгенному решению. Для голландской болезни вязов исследователи нацеливаются на гены, участвующие в распознавании токсинов и целостности клеточной стенки, с ранними результатами, показывающими повышенную толерантность в редактируемых вязах.

Адаптация к изменению климата

Помимо засухи и вредителей, городские деревья должны справляться с увеличением ветра, загрязнения воздуха и уплотнения почвы. CRISPR может потенциально модифицировать корневые системы, чтобы быть более устойчивыми в уплотненных почвах, или изменить морфологию листьев, чтобы лучше захватывать твердые частицы. Редактирование генов, связанных с фенологией, таких как разрыв почек и старение листьев, может помочь деревьям адаптироваться к смещению сезонов, уменьшая риск повреждения морозом в ранних источниках или продлевая навес листьев в падение, чтобы поддержать городское охлаждение и поглощение углерода.

Тематические исследования и текущие исследования

Американский каштан: генетическая реставрация

Американский каштан когда-то был доминирующим восточным лесом и городским деревом США, но каштановый каштановый каштан, введенный грибок, уничтожил миллиарды деревьев. Продолжающиеся усилия по генетическому восстановлению, возглавляемые SUNY College of Environmental Science and Forestry и Американским фондом каштана, произвели устойчивое к каштану дерево, вставив один ген. Совсем недавно исследователи использовали CRISPR для нацеливания на несколько генов восприимчивости в каштане, достигая устойчивости без необходимости трансгенных вставок. Полевые испытания ведутся, и если они будут успешными, эти деревья могут быть повторно введены в городские ландшафты в течение десятилетия.

Деревья вязов и голландская болезнь вязов

Голландская болезнь вязов убила более 75% вязов во многих североамериканских и европейских городах. Редактирование CRISPR применяется для модификации генов вязов, которые взаимодействуют с грибковым патогеном Офиостома ульми . Команда из Университета Торонто определила гены восприимчивости кандидатов в сибирском вязе и использует CRISPR для создания мутаций в этих генах в американском вязе. Ранние тесты теплиц показывают, что отредактированные вязы могут противостоять инфекции и оставаться без симптомов. Эта работа подчеркивает, как CRISPR может возродить классический вид городского дерева, который был почти потерян.

Эшовые деревья и изумрудный Эш Борер

Исследования CRISPR по пепловым деревьям сосредоточены на поиске генетической основы устойчивости. Несколько видов золы, таких как маньчжурский пепел, демонстрируют естественную устойчивость к изумрудному пепловому бореру. Ученые используют CRISPR для передачи этих механизмов устойчивости в высокочувствительные североамериканские пепеловые виды, такие как зеленый пепел и белый пепел. Редактируя гены, ответственные за химические защитные соединения дерева, они стремятся создать деревья, которые являются непривлекательными и токсичными для борца. Этот подход может спасти миллиарды пепловых деревьев в городах по всему континенту.

Тополя как модельные системы

Топольные деревья часто используются в качестве модели для генетики деревьев из-за их относительно небольшого генома и быстрого роста. Работа CRISPR с тополями обеспечила доказательство концепции для улучшения таких признаков, как состав лигнина для облегчения обработки биотоплива и повышения засухоустойчивости. Эти уроки теперь применяются к другим видам городских деревьев. Например, топольные гены, связанные с боковым ростом корней, были отредактированы для производства деревьев с более глубокими, более волокнистыми корневыми системами, которые могли бы лучше закрепиться в городских почвах.

Преимущества CRISPR-редактированных городских деревьев для городов и людей

Потенциальные преимущества использования устойчивых деревьев, отредактированных CRISPR, в городских условиях выходят далеко за рамки простого сохранения деревьев.

Проблемы, риски и этические соображения

Экологические риски и непреднамеренные последствия

Любое генетическое вмешательство в естественную или посаженную экосистему несет риски. Редактирование вне цели, где CRISPR режет в непреднамеренных местах в геноме, может привести к неожиданным признакам. В то время как риск нецелевых эффектов низок при современном дизайне РНК-руководства, он не равен нулю. Тщательное секвенирование отредактированных деревьев в масштабах генома имеет важное значение перед полевыми посадками. Существует также обеспокоенность тем, что отредактированные деревья могут перекрестно опыляться дикими родственниками, распространяя отредактированные гены в естественные популяции. Лесникам необходимо будет управлять этим риском через буферные зоны, технологии репродуктивной стерильности или с помощью нецветущих деревьев для городских посадок.

Регулирующая неопределенность

Регулятивный статус растений, отредактированных CRISPR, широко варьируется в зависимости от страны. В США Министерство сельского хозяйства США определило, что некоторые изменения CRISPR, которые могут быть созданы путем обычного разведения, не подпадают под действие правил ГМО. Однако EPA и FDA могут по-прежнему контролировать, если редактирование придает устойчивость к вредителям или включает в себя пестицидные свойства. В Европейском союзе суд постановил в 2018 году, что отредактированные генами организмы подчиняются тем же правилам, что и трансгенные ГМО, создавая высокий барьер для полевых испытаний и коммерческого использования. Эти различия влияют на то, где и как можно разрабатывать и развертывать отредактированные CRISPR городские деревья.

Общественное принятие и коммуникация

Общественное восприятие генетических технологий на деревьях неоднозначно. Многие люди с удовольствием пользуются медицинскими методами CRISPR, но настороженно относятся к генетически модифицированным организмам в окружающей среде. Прозрачная коммуникация о характере правок, тестировании безопасности и экологической необходимости имеет решающее значение. Мистепс в маркировке или объяснении технологии может привести к отказу и задержкам. Взаимодействие с местными сообществами, арбористами и экологическими группами с ранних этапов исследований может создать доверие и признание.

Равенство и доступ

В настоящее время технология CRISPR является дорогостоящей и требует сложной лабораторной инфраструктуры. Существует риск того, что развитые страны будут непропорционально получать выгоду от устойчивых деревьев, в то время как развивающиеся страны, где городские леса также находятся под угрозой, могут не иметь доступа к технологии и ее продуктам. Международное сотрудничество и генетические ресурсы с открытым исходным кодом могут помочь смягчить эту несправедливость.

Долгосрочный мониторинг и адаптивное управление

После посадки деревьев, отредактированных в CRISPR, в городах необходим долгосрочный мониторинг для оценки их эффективности и выявления непредвиденных экологических последствий. Это требует приверженности со стороны муниципалитетов, исследовательских институтов и финансовых учреждений. Должны быть разработаны планы адаптивного управления для реагирования на возникающие проблемы.

Будущее городского лесного хозяйства с помощью CRISPR

Заглядывая вперед, CRISPR готов стать стандартным инструментом в наборе инструментов городского лесничества, дополняя традиционные методы селекции и секуляризации. По мере того, как затраты на редактирование генов и секвенирование продолжают падать, и по мере секвенирования большего количества геномов деревьев мы увидим быстрое расширение приложений CRISPR для городских деревьев.

Одним из перспективных направлений является развитие деревьев с множественными уложенными признаками - устойчивостью к засухе, устойчивостью к вредителям и улучшенным ростом всего на одном дереве. Multiplex CRISPR, который нацелен на несколько генов одновременно, может достичь этого за одно поколение. Другая область - создание деревьев с измененными свойствами древесины, такими как более прочная древесина, чтобы противостоять повреждениям от шторма или древесина с увеличенной емкостью хранения углерода.

Городское планирование и садоводство должны будут адаптироваться. Устойчивые деревья могут быть посажены в новых конфигурациях для максимального охлаждения и очистки воздуха, а города могут принять проекты поликультур, которые смешивают различные отредактированные виды, чтобы уменьшить уязвимость к будущим патогенам. Политика, которая поддерживает финансирование исследований, рационализацию регулирования и участие общественности, будет иметь решающее значение для реализации потенциала CRISPR в городском лесном хозяйстве.

В конечном счете, CRISPR предлагает мощные средства для защиты и улучшения городских лесов, от которых зависит так много городских жителей. Ускоряя естественный процесс эволюции деревьев, мы можем создавать городские деревья, которые не только выживают, но и способствуют здоровому, пригодному для жизни городскому окружению.

Заключение

Стык технологии CRISPR и городского лесного хозяйства представляет собой преобразующую возможность. Поскольку города сталкиваются с реалиями изменения климата, инвазивными вредителями и ухудшением здоровья деревьев, генетическое редактирование обеспечивает инструмент, который является одновременно точным и мощным. От восстановления знаковых видов, таких как американский каштан и вяз, до разработки новых засухоустойчивых и устойчивых к вредителям сортов, CRISPR может помочь восстановить городские леса, которые являются устойчивыми, разнообразными и способными предоставлять необходимые экосистемные услуги на десятилетия вперед. В то время как значительные проблемы в регулировании, экологии и общественном признании остаются, путь вперед ясен. Согласованные усилия ученых, политиков и заинтересованных сторон сообщества могут гарантировать, что следующее поколение городских деревьев является самым сильным. Будущее наших городов вполне может быть основано на обещании CRISPR.

Внешние ссылки: