Новые инструменты превращают зерновые культуры в живые биосенсоры
Исследователи из Центра наук о растениях Дональда Данфорта, Университета Флориды в Гейнсвилле и Университета Айовы разработали инструменты, позволяющие злакам — включая основные зерновые культуры, такие как кукуруза — действовать как живые биосенсоры, способные обнаруживать ничтожные количества химических веществ в полевых условиях.
Руководители исследования Дмитрий Нусинов, Ph.D., и Малия Гехан, Ph.D., возглавили работу по созданию злаков, которые производят видимый фиолетовый пигмент антоциан в ответ на специфические химические сигналы. В сочетании с передовыми системами визуализации и анализа эти растения могут сообщать о чрезвычайно низких уровнях воздействия химикатов, загрязнения или других неблагоприятных условиях, которые могут повлиять на здоровье урожая и человека.
Их результаты, «Дистанционное зондирование эндогенной пигментации с помощью индуцибельных синтетических цепей в злаках», опубликованы в Plant Biotechnology Journal.
Превращение растений в «часовых»
Исследователи задались вопросом: «Что, если растения смогут предупреждать фермеров о неблагоприятных условиях или нежелательных химикатах?». Хотя ученые начали изучать растительные биосенсоры, большинство инструментов было разработано для двудольных видов, таких как Arabidopsis thaliana. Злаки — однодольные — отставали, несмотря на то, что являются основой мирового производства зерна. Растительные пигменты, такие как каротиноиды, беталаины и антоцианы, адаптируются в качестве неинвазивных визуальных репортеров для мониторинга экспрессии генов.
Нусинов и Гехан успешно адаптировали лиганд-индуцибельную генетическую схему, активирующую собственный путь биосинтеза антоциана у злака C4 модели Setaria viridis. Эти новые инструменты можно использовать, чтобы заставить злаки, такие как кукуруза, производить фиолетовый пигмент антоциан при воздействии определенных химических веществ.
Ключевые достижения включают:
- Идентификацию двух факторов транскрипции, которые можно совместно экспрессировать из одной транскрипции для запуска производства антоциана.
- Демонстрацию как конститутивной, так и лиганд-индуцибельной продукции пигмента в протопластах и целых растениях.
- Разработку методов гиперспектральной визуализации и дискриминантного анализа, которые неразрушающим способом обнаруживают изменения пигментации с почти дистанционного расстояния.
Вместе эти достижения демонстрируют надежную систему для точного дистанционного зондирования химического воздействия на злаки, прокладывая путь для сельскохозяйственных растений, которые могут активно сообщать об условиях окружающей среды.
«Зерновые культуры — основа глобальной продовольственной безопасности, — сказал Нусинов. — Возможность растений действовать как часовые в поле может повысить продовольственную безопасность и улучшить устойчивость сельского хозяйства».
Это исследование представляет собой важный шаг к созданию растительных систем мониторинга, способных обнаруживать загрязнение, химический дрейф или другие факторы окружающей среды, влияющие на урожайность. По мере совершенствования инструментов обнаружения способность растений «сообщать» о своих стрессорах может преобразовать управление сельским хозяйством и его устойчивость.
Инструменты доступны для научного сообщества
В поддержку открытой науки как молекулярные инструменты для создания этих сенсоров для злаков, так и методы чувствительного обнаружения изменений пигментации были размещены в публичных репозиториях. Это позволит другим ученым развивать эту работу и ускорить инновации в синтетической биологии растений.
«Мы хотели создать систему, которую другие исследователи могли бы легко использовать. Открытый доступ к нашим конструкциям и подходам к визуализации ускорит инновации во всем сообществе», — сказала Гехан.
В проекте участвовали Алина Заре, Ph.D., профессор электротехники и вычислительной техники Университета Флориды в Гейнсвилле, директор Института исследований искусственного интеллекта и информатики Университета Флориды в Гейнсвилле; и Сьюзан Мирдинк, Ph.D., доцент Школы Земли, окружающей среды и устойчивого развития Университета Айовы.