Роль Crispr в создании устойчивых к болезням сортов томатов
В последние годы технология редактирования генов CRISPR преобразовала сельскохозяйственные исследования, открыв новые возможности для разработки культур, которые могут противостоять разрушительным заболеваниям. Среди этих культур помидоры - глобально потребляемые фрукты, используемые в кухнях от Италии до Индии - были на переднем крае научных усилий по повышению устойчивости к болезням. Традиционное разведение томатов часто занимает годы для производства устойчивых сортов, а химические пестициды остаются распространенным, но экологически дорогостоящим решением. CRISPR предлагает более быструю, более точную альтернативу, позволяющую исследователям редактировать конкретные гены, которые делают помидоры восприимчивыми к патогенам. В этой статье исследуется, как CRISPR используется для создания устойчивых к болезням сортов томатов, наука, лежащая в основе технологии, ключевые прорывы в исследованиях и более широкие последствия для устойчивого сельского хозяйства и продовольственной безопасности.
Технология CRISPR-Cas9
CRISPR, что означает Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, является естественной защитной системой у бактерий, которую ученые перепрофилировали в мощный инструмент редактирования генов. Система состоит из двух основных компонентов: направляющей РНК (gRNA), которая соответствует последовательности ДНК-мишени, и белка Cas9, который действует как молекулярные ножницы. При введении в растительную клетку направляющая РНК направляет Cas9 к точному местоположению в геноме, где требуется изменение. Cas9 затем разрезает обе нити ДНК, запуская естественные механизмы восстановления клетки. Исследователи могут либо отключить ген, введя небольшие вставки или делеции (индели), которые нарушают его функцию, либо вставить новую последовательность, если предусмотрен шаблон восстановления.
По сравнению с традиционными методами селекции, которые основаны на случайных мутациях или скрещивании и занимают много поколений, CRISPR удивительно эффективен. Он может достигать целевых модификаций в одном поколении, как правило, в течение года для помидоров. Эта скорость и точность также снижают риск введения нежелательных признаков - общая проблема в традиционной гибридизации. Кроме того, поскольку изменения CRISPR могут быть сделаны без включения чужеродной ДНК (с помощью временной системы доставки), полученные культуры часто классифицируются как «нетрансгенные» во многих нормативных рамках, потенциально облегчая путь к коммерциализации.
Основные томатные заболевания, нацеленные на CRISPR
Помидоры подвержены широкому спектру бактериальных, грибковых и вирусных патогенов, которые вызывают значительные потери урожайности во всем мире. Исследователи все чаще обращаются к CRISPR, чтобы придать устойчивость к этим угрозам, не полагаясь на химические методы лечения. Ниже приведены некоторые из наиболее известных заболеваний, которые решаются с помощью редактирования генов.
Бактериальный вилт
Бактериальный увядание, вызванное почвенной бактерией Ralstonia solanacearum, является одним из самых разрушительных заболеваний томатов в тропических и субтропических регионах. Патоген заражает ксилем, блокируя водный транспорт и приводя к внезапному увяданию и гибели растений. Традиционные методы контроля включают в себя севооборот, устойчивые подвои и химическую фумигацию, но они часто неэффективны. Ученые использовали CRISPR для выбивания гена DMR6 (Downy Mildew Resistance 6) DMR6 ген обычно подавляет естественные иммунные реакции растения; отключение его вызывает конститутивную активацию защитных путей, придавая устойчивость не только бактериальному увяданию, но и другим патогенам, таким как пуховая плесень и Pseudomonas syringae[
Поздний свет
Поздний укус, вызванный оомицетом Фитофторой infestans, является печально известным патогеном, ответственным за ирландский картофельный голод и остается главной угрозой для производства томатов во всем мире. Он вызывает темные, пропитанные водой поражения на листьях и фруктах, часто уничтожая целые культуры в течение нескольких дней. Несколько стратегий на основе CRISPR были изучены.Pti1 (Pto-интеракционные 1]] ген, который кодирует киназу, участвующую в иммунной сигнализации; мутации в этом гене могут усиливать устойчивость к P. infestans. Другой перспективной мишенью является Solanum lycopersicumMlo (Mildew Locus O) ген, который при нарушении обеспечивает устойчивость к порошковой плесени, но
Фузарий Уилт
Fusarium wilt, вызванный грибком Fusarium oxysporumf. sp.lycopersici, является сосудистым заболеванием, которое вызывает пожелтение, увядание и замедление роста. Особенно проблематично при интенсивном выращивании теплиц. CRISPR был использован для введения новых аллелей устойчивости путём редактирования гена Solyc09g000950I[Immunity]I, успешно отредактировавшего ген устойчивости I-3F. oxysporumf. sp.lycopersici. Отредактированные
Вирусные болезни
Вирус томатно-желтого листа свитка (TYLCV), передаваемый белокрылками, является одним из самых разрушительных вирусных заболеваний в томатах, вызывая скручивание листьев и сильное снижение урожайности. CRISPR был развернут для непосредственного воздействия на вирусный геном у инфицированных растений. Проектируя направляющие РНК, которые связываются с консервативными областями генома TYLCV, Cas9 может расщеплять вирусную ДНК, останавливая репликацию. Эта стратегия была впервые продемонстрирована в 2015 году в Природные растения , где исследователи показали, что экспрессия CRISPR-Cas9 в томатных растениях придавала устойчивость к нескольким геммивирусам, включая TYLCV и свекольный верхний вирус. Совсем недавно усилия были сосредоточены на редактировании генов-хозяев, которые необходимы для вирусной репликации, таких как CFL1 (CAPRICE-LIKE 1) ген
Ключевые исследовательские вехи в томатах, отредактированных CRISPR
Помимо нацеливания на конкретные заболевания, несколько знаковых исследований иллюстрируют потенциал CRISPR в томатной генетике. В 2017 году исследователи из Университета Джонса Хопкинса использовали CRISPR для выбивания гена DMR6 , как упоминалось ранее, достигая устойчивости широкого спектра. В том же году японская команда отредактировала шунтирующий путь GABA (гамма-аминомасляная кислота) для производства помидоров с высоким уровнем этой полезной аминокислоты, который был связан с более низким кровяным давлением — черта, полностью не связанная с устойчивостью к болезням, но демонстрирующая универсальность технологии. Этот томат с высоким GABA, названный «Sicilian Rouge High GABA», был одобрен для продажи в Японии в 2021 году.
Еще одна веха наступила в 2019 году, когда ученые из Университета Геттингена и Калифорнийского университета в Беркли использовали CRISPR для быстрого одомашнивания диких видов томатов (]Solanum pimpinellifolium), редактируя только несколько генов, контролирующих размер, форму и созревание плодов. Этот подход «de novo domestication» дал новые сорта томатов, которые сохраняют устойчивость диких родственников, обладая желательными агрономическими чертами современных сортов. Такая стратегия может быть особенно мощной для введения устойчивости к болезням от диких зародышевых плазм в элитные линии без обычного длительного обратного скрещивания.
Совсем недавно, в 2023 году, команда из Китайской академии сельскохозяйственных наук опубликовала исследование в Природная биотехнология , описывающее мультиплексную систему CRISPR, которая одновременно редактировала пять различных генов в томатах, создавая растения с комбинированной устойчивостью к порошковой плесени, бактериальным пятнам и паутинным клещам. Это «пирамидирование» признаков устойчивости посредством редактирования генов является важным шагом вперед, поскольку оно имитирует естественный процесс укладки нескольких генов устойчивости — подвиг, который займет десятилетия с использованием обычного разведения.
Преимущества помимо устойчивости к болезням
Преимущества томатов, устойчивых к болезням, отредактированных CRISPR, выходят далеко за пределы поля. Во-первых, снижение зависимости от химических пестицидов имеет прямые экологические преимущества: меньшее количество агрохимикатов в почве и воде, снижение вреда для нецелевых организмов, таких как опылители, и более низкие выбросы углерода от химического производства и применения. Во-вторых, для фермеров устойчивые к болезням сорта означают более стабильные урожаи и более низкие затраты на ввод, особенно важные для мелких фермеров в развивающихся странах, которые часто не имеют доступа к дорогим фунгицидам и бактерицидам. В-третьих, потребители получают выгоду от потенциально более низких цен и продуктов, которые не содержат остатков синтетических пестицидов.
CRISPR также используется для одновременного улучшения других важных признаков. Например, редактирование гена SlALMT9 увеличило содержание малата в плоде, улучшив вкус и кислотность. Редактирование гена SP (Самопрыскивание) может изменить архитектуру растений для механического сбора урожая. Комбинирование устойчивости к болезням с улучшенными органолептическими качествами является реалистичной среднесрочной целью, о чем свидетельствуют усилия по включению черты высокой ГАМК в сорта, уже несущие dmr6 редактирование.Кумулятивный эффект таких сложенных правок может революционизировать томатное земледелие, делая урожай более устойчивым, питательным и аппетитным.
Регуляторный и коммерческий ландшафт
Путь от лаборатории к рынку для культур, отредактированных CRISPR, значительно варьируется в зависимости от страны. Министерство сельского хозяйства США (USDA) указало, что оно не будет регулировать геномные растения, которые не содержат чужеродную ДНК от вредителя растений, эффективно освобождая большинство томатов, полученных из CRISPR, от строгих правил, применяемых к генетически модифицированным организмам (ГМО). В Японии правила аналогично разрешают; томат с высоким содержанием GBA был одобрен без необходимости маркировки как ГМО. Канада и несколько южноамериканских стран также приняли рациональные рамки, которые оценивают конечный продукт, а не процесс.
В отличие от этого, в 2018 году Суд Европейского союза постановил, что организмы, полученные с помощью новых методов мутагенеза, включая CRISPR, подпадают под действие Директивы о ГМО, требующей длительной оценки риска и маркировки. Это препятствует инвестициям в культуры, отредактированные CRISPR, в Европе, хотя продолжаются дебаты о пересмотре регулирования. Китай, крупный производитель томатов, активно разрабатывает свои собственные нормативные руководящие принципы, а несколько культур, отредактированных CRISPR, включая устойчивые к болезням томаты, уже прошли полевые испытания.
Коммерчески первый продукт питания с высоким содержанием GABA был запущен в Японии в 2021 году компанией Sanatech Seed, стартапом, поддерживаемым Университетом Цукубы. С тех пор другие компании вывели на рынок некоричневые грибы и соевые бобы с высоким содержанием олеинов, но устойчивые к болезням томаты все еще ожидают одобрения в большинстве регионов. Разработчик помидора dmr6, стартап под названием Inari Agriculture, в настоящее время ищет нормативное разрешение в Соединенных Штатах. Ожидается, что в течение пяти лет фермерам в Северной Америке или Азии будет доступен помидор с устойчивостью к болезням, отредактированный CRISPR.
Проблемы и ограничения
Несмотря на свои обещания, технология CRISPR не лишена проблем. Нецелевые изменения — непреднамеренные модификации других частей генома — остаются проблемой, хотя улучшения в дизайне РНК-руководства и высокоточных вариантах Cas9 значительно сократили их частоту. Регуляторная неопределенность, особенно в Европе, препятствует инвестициям и коммерциализации. Общественное восприятие также играет роль: в то время как опросы показывают, что потребители в Северной Америке и Японии в целом принимают отредактированные CRISPR культуры, европейские и некоторые азиатские потребители более скептически относятся, часто смешивая редактирование генов с трансгенными ГМО. Прозрачная связь и маркировка (где это необходимо) будут иметь решающее значение для завоевания доверия.
Другое ограничение заключается в том, что устойчивость иногда может быть преодолена развивающимися патогенами. Так же, как и с традиционными генами устойчивости, CRISPR-присуждаемая устойчивость может быть эффективной только против определенных штаммов или в течение ограниченного времени. Укладка нескольких механизмов устойчивости, как это делается при многократном редактировании, может смягчить этот риск, но гонка вооружений между культурами и патогенами продолжается. Интеллектуальная собственность также является барьером: основные патенты CRISPR-Cas9 принадлежат Институту Броуда и Калифорнийскому университету, а лицензионные сборы могут быть непомерно высокими для небольших семенных компаний, хотя разрабатываются инструменты CRISPR с открытым доступом.
Наконец, перевод лабораторных успехов в полевые условия требует тщательных испытаний в нескольких средах, чтобы гарантировать, что отредактированные признаки стабильны и не оказывают негативного влияния на урожайность или качество фруктов. Например, мутация dmr6 может вызвать умеренный штраф за рост в некоторых фонах, хотя это можно свести к минимуму, выбрав соответствующие родительские линии. Несмотря на эти препятствия, траектория ясна: CRISPR быстро становится стандартным инструментом в программах разведения томатов по всему миру.
Будущий прогноз
В следующем десятилетии, вероятно, будет наблюдаться распространение отредактированных CRISPR сортов томатов, адаптированных к местным болезням и рыночным предпочтениям. Исследователи изучают еще более новые методы редактирования, такие как базовое редактирование и простое редактирование, которые позволяют однонуклеотидные изменения без двухцепочечных перерывов, предлагая большую точность и безопасность. Сочетание CRISPR с геномным отбором может еще больше ускорить циклы размножения, создавая сорта томатов, которые не только устойчивы к болезням, но и адаптированы к изменению климата - с улучшенной теплостойкостью, эффективностью использования воды и устойчивостью к солености.
Международное сотрудничество, например, финансируемое Продовольственной и сельскохозяйственной организацией (ФАО) [[ФЛТ:1]] [[ФЛТ:2]] [[ФЛТ:3]], работает над тем, чтобы инструменты CRISPR были доступны селекционерам государственного сектора в развивающихся странах, где наиболее остро проявляются томатные заболевания. Цель состоит в том, чтобы демократизировать доступ к технологии редактирования генов, чтобы мелкие фермеры в Африке и Азии могли получать пользу от устойчивых к болезням томатов, не полагаясь на многонациональные корпорации. В случае успеха CRISPR мог бы играть центральную роль в достижении целей Организации Объединенных Наций в области устойчивого развития, особенно в отношении нулевого голода и ответственного потребления и производства.
Заключение
Редактирование генов CRISPR открыло новый мощный путь для создания устойчивых к болезням сортов томатов. Точно отключив гены восприимчивости или повысив иммунные реакции, исследователи разработали томаты, которые могут противостоять бактериальному увяданию, позднему увяданию, увяданию фузариума и вирусным инфекциям - заболеваниям, которые в совокупности вызывают миллиарды долларов потерь ежегодно. Скорость, точность и универсальность технологии предлагают явные преимущества перед традиционным разведением и химическим контролем. В то время как нормативные, общественное восприятие и технические проблемы остаются, первые коммерческие томаты, отредактированные CRISPR, уже на рынке в Японии, и многие другие находятся в стадии разработки. По мере развития исследований и рамок, отредактированные CRISPR устойчивые к болезням томаты готовы стать краеугольным камнем устойчивого, климатически устойчивого сельского хозяйства, помогая обеспечить поставки продовольствия для растущего населения мира.