Учёные впервые изменили фотосинтез с помощью CRISPR/Cas9
Исследователи из Инновационного геномного института Калифорнийского университета в Беркли добились увеличения экспрессии гена в продовольственной культуре, изменив её регуляторную ДНК. В то время как другие исследования использовали редактирование генов CRISPR/Cas9 для «нокаута» или снижения экспрессии генов, новая работа, опубликованная в Science Advances, представляет собой первый беспристрастный подход к редактированию генов для увеличения экспрессии гена и последующей фотосинтетической активности.
«Такие инструменты, как CRISPR/Cas9, ускоряют нашу способность тонко настраивать экспрессию генов в сельскохозяйственных культурах, а не просто «выключать» гены. Это первое исследование, насколько нам известно, в котором мы задались вопросом, можем ли мы использовать тот же подход для увеличения экспрессии гена и улучшения последующей активности», — сказал ведущий автор исследования Дхрув Патель-Таппер.
В отличие от стратегий синтетической биологии, использующих гены других организмов, гены, участвующие в процессе фотозащиты, естественным образом присутствуют во всех растениях. Лаборатория Ниёги хотела выяснить, как изменить экспрессию собственных генов растения, не добавляя чужеродную ДНК.
Рис, который обеспечивает не менее 20% мировых калорий и имеет только одну копию каждого из трёх ключевых генов фотозащиты, стал идеальной моделью для этого исследования.
План лаборатории состоял в том, чтобы использовать CRISPR/Cas9 для изменения участка ДНК перед целевым геном (PsbS), который контролирует уровень его экспрессии. Результаты удивили самих исследователей.
«Изменения в ДНК, которые увеличили экспрессию гена, были намного больше, чем мы ожидали, и больше, чем мы видели в других подобных работах», — отметил Патель-Таппер. «Это показывает, сколько пластичности есть у растений. Мы можем использовать эту «свободу действий», чтобы за считанные годы помочь растениям расти эффективнее».
В этом исследовании учёные обнаружили, что инверсии («перевороты») регуляторной ДНК приводят к увеличению экспрессии гена PsbS. После самой большой инверсии команда провела эксперимент по РНК-секвенированию и обнаружила очень малое количество генов с изменённой экспрессией, что говорит о том, что их подход не нарушил другие важные процессы.
Патель-Таппер добавил, что, хотя метод возможен, он всё ещё относительно редок: желаемый фенотип наблюдался примерно у 1% полученных растений.
«Мы показали здесь доказательство концепции: мы можем использовать CRISPR/Cas9 для создания вариантов ключевых генов сельскохозяйственных культур и добиться такого же скачка, как при традиционной селекции, но для очень конкретного признака и за гораздо более короткое время. Изменяя то, что уже есть, мы можем избежать регуляторных проблем, которые замедляют внедрение таких инструментов в руки фермеров».