Новая технология даёт шанс в борьбе с убийцей виноградной лозы
Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде (UC Riverside) получили возможность уничтожить смертельную угрозу для виноградников, исходящую от стеклокрылой цикадки, как раз в то время, когда её устойчивость к инсектицидам растёт.
Когда это летающее насекомое длиной в полдюйма питается на виноградной лозе, оно передаёт бактерии, вызывающие болезнь Пирса. После заражения лоза, вероятно, погибнет в течение трёх лет — это растущая проблема для калифорнийской винодельческой индустрии стоимостью $58 млрд. В настоящее время её можно контролировать только карантинами и всё менее эффективными химическими опрыскиваниями.
Новая технология редактирования генов даёт надежду на контроль над цикадкой. Учёные из UC Riverside продемонстрировали, что эта технология может вызывать постоянные физические изменения у насекомого. Они также показали, что эти изменения передавались трём или более поколениям насекомых.
Статья, описывающая работу команды, опубликована в журнале Scientific Reports.
«Наша команда впервые установила генетические подходы к контролю над стеклокрылой цикадкой», — сказал энтомолог и соавтор статьи Питер Аткинсон.
Для этого проекта исследователи использовали технологию CRISPR, чтобы «выключить» гены, контролирующие цвет глаз цикадок. В одном эксперименте они сделали глаза насекомых белыми. В другом — глаза стали киноварно-красными. Затем команда показала, что эти изменения цвета глаз были постоянными и передавались потомству модифицированных родителей.
CRISPR основана на иммунной системе бактерий. Во время атак вирусов бактерии сохраняют фрагменты ДНК захватчиков. Когда вирусы возвращаются, бактерии распознают, разрезают и уничтожают вирусную ДНК.
Учёные используют CRISPR как «молекулярные ножницы» для нацеливания на определённые последовательности ДНК.
«Это отличная технология, потому что она может быть настолько специфичной для одного насекомого и не вызывать побочных эффектов у других насекомых, животных или людей», — сказала энтомолог UC Riverside и ведущий автор исследования Инайара де Соуза Пашеко. «Это гораздо более экологичная стратегия борьбы с насекомыми, чем использование химикатов».
Одним из интересных открытий команды стало то, что гены цвета глаз цикадки расположены на неполовых (аутосомных) хромосомах. У всех животных есть два типа хромосом: половые и аутосомные.
«Знание того, что гены белого и киноварного цвета находятся на аутосомных хромосомах, демонстрирует, что наследование этих генов не связано с полом насекомого», — сказала Пашеко. «Это важно для разработки стратегий контроля».
Например, у комаров именно самки передают вирусы людям. Идентификация генов на половых хромосомах, которые благоприятствуют самкам комаров, важна для стратегий контроля над комарами. И наоборот, важно знать, когда ключевые гены находятся не на половых хромосомах.
Чтобы продемонстрировать, что мутации, созданные CRISPR, передаются последующим поколениям, команде также пришлось установить, как заставить цикадок спариваться парами. «Это не всегда просто в энтомологии, потому что насекомым иногда нужно более одной особи, чтобы стимулировать спаривание», — пояснил Аткинсон.
Теперь, когда команда продемонстрировала, что CRISPR может работать на этих насекомых, у них появилась новая цель.
«Мы используем CRISPR, чтобы попытаться модифицировать ротовые части цикадки так, чтобы она не могла подхватить бактерию, вызывающую болезнь Пирса», — сказал энтомолог UC Riverside и соавтор статьи Рик Редак.
Вероятность успеха команды в модификации ротового аппарата высока, учитывая эффективность, с которой им удалось изменить гены цвета глаз цикадок. Команда вводила молекулы CRISPR в недавно отложенные яйца, и в некоторых экспериментах до 100% яиц превращались в нимф с изменённым цветом глаз.
«Это абсолютно удивительно, потому что успех в других организмах часто составляет 30% или ниже», — сказала биолог растений и соавтор статьи Линда Уоллинг. «Высокий уровень успеха редактирования генов у стеклокрылой цикадки сулит хорошие перспективы для нашей способности разрабатывать новые методы борьбы с насекомыми, а также для понимания базовой биологии этого разрушительного вредителя».
Аткинсон также восхищается тем, насколько команда близка к своей цели — созданию насекомых, не способных быть переносчиками инфекции. «До CRISPR создание специфических мутаций с такой лёгкостью и с такой высокой частотой было практически невозможно», — сказал Аткинсон. «Теперь мы уверены, что сможем найти способы создания насекомых, не способных передавать эту болезнь».
Команда особенно ободрена результатами своих экспериментов с CRISPR на цикадках, которые относятся к классу насекомых, для которых другие молекулярные стратегии контроля ранее не были эффективны.
«Похоже, цикадки станут модельным организмом для Hemiptera, этой большой категории колюще-сосущих насекомых», — сказал Редак. «Наша модель использования CRISPR для них может открыть новые возможности для контроля болезней, которые они передают растениям и, возможно, людям».
Работа финансировалась Калифорнийским департаментом продовольствия и сельского хозяйства, а также Службой инспекции здоровья животных и растений Министерства сельского хозяйства США.