Синтетические генетические схемы могут помочь растениям адаптироваться к изменению климата

Изменение климата угрожает глобальному производству продуктов питания. По мере учащения наводнений, засух и экстремальной жары, сельскохозяйственным культурам необходимо адаптироваться быстрее, чем когда-либо.

Исследователи из Стэнфордского университета разрабатывают способы управления биологическими процессами в растениях, чтобы помочь им эффективнее расти в различных условиях. Доцент биоинженерии Дженнифер Брофи и её коллеги создали серию синтетических генетических схем, позволяющих контролировать решения, принимаемые разными типами растительных клеток. В статье, недавно опубликованной в Science, они использовали эти инструменты для выращивания растений с модифицированной структурой корней. Эта работа — первый шаг к созданию культур, лучше поглощающих воду и питательные вещества из почвы, и она задаёт основу для проектирования, тестирования и улучшения синтетических генетических схем для других применений в растениях.

"Наши синтетические генетические схемы позволят нам создавать очень специфичные корневые системы или структуры листьев, чтобы определить, что оптимально для сложных условий окружающей среды, которые, как мы знаем, наступят", — сказала Брофи. — "Мы делаем инженерию растений гораздо более точной".

Программный код для растений

Современные генетически модифицированные культуры используют относительно простые и неточные системы, заставляющие все клетки экспрессировать гены, например, для устойчивости к гербицидам или вредителям. Для точного контроля над поведением растений Брофи и её коллеги создали синтетическую ДНК, которая работает подобно компьютерному коду с логическими вентилями, направляющими процесс принятия решений. В данном случае они использовали эти вентили, чтобы указать, в каких типах клеток экспрессируются определённые гены. Это позволило изменять количество ответвлений в корневой системе, не меняя остальное растение.

Глубина и форма корневой системы влияют на эффективность поглощения ресурсов из почвы. Например, неглубокая, сильно разветвлённая система лучше поглощает фосфор (который остаётся у поверхности), а более глубокая система, ветвящаяся внизу, лучше собирает воду и азот. Используя эти синтетические схемы, исследователи смогут выращивать и тестировать различные конструкции корней, чтобы создавать наиболее эффективные культуры для разных условий. Или, в будущем, дать растениям возможность самооптимизации.

"У современных сортов культур часто утрачена способность реагировать на распределение питательных веществ в почве", — сказал Хосе Диннени, доцент биологии и один из ведущих авторов статьи. — "Такие же логические вентили, контролирующие ветвление корней, можно использовать, например, для создания схемы, учитывающей концентрацию азота и фосфора в почве и выдающей оптимальный для этих условий результат".

От модельных организмов к современным культурам

Брофи разработала более 1000 потенциальных схем для управления экспрессией генов в растениях. Она протестировала их на листьях табака, пытаясь заставить клетки листа производить светящийся белок медузы. Сработали 188 конструкций, которые исследователи загружают в базу данных синтетической ДНК для использования другими учёными.

Получив рабочие схемы, исследователи использовали одну из них для создания логических вентилей, модифицирующих экспрессию определённого гена развития в чётко заданном типе корневых клеток Arabidopsis thaliana — небольшого сорного растения, часто используемого как модельный организм. Изменяя уровень экспрессии этого одного гена, они смогли изменить плотность ветвления корневой системы.

Продемонстрировав возможность изменения структуры роста модельного организма, исследователи намерены применить те же инструменты к коммерческим культурам. Они изучают возможность использования своих генетических схем для управления структурой корней у сорго (растения, которое можно перерабатывать в биотопливо), чтобы помочь ему эффективнее поглощать воду и осуществлять фотосинтез.

"Изменение климата меняет сельскохозяйственные условия, в которых мы выращиваем растения, необходимые нам для пищи, топлива, волокон и сырья для лекарств", — сказала Брофи. — "Если мы не сможем производить эти растения в достаточных масштабах, мы столкнёмся со множеством проблем. Эта работа призвана помочь обеспечить нас сортами растений, которые мы сможем выращивать, даже если условия окружающей станут менее благоприятными".