Исследователи впервые в мире отредактировали геном черного сорта винограда

Исследователям Научно-технологического университета «Сириус» удалось впервые отредактировать коммерчески значимый черный сорт винограда. Ученые смогли преодолеть ключевые проблемы геномного редактирования благородных сортов и создать технологию получения устойчивых к патогенам клеточных культур винограда с максимально возможным сохранением свойственных для «мерло» вкуса, цвета и запаха. Это позволит выращивать устойчивые к мучнистой росе растения и даст возможность существенно снизить долю применения пестицидов в сельском хозяйстве при борьбе с грибковыми инфекциями, поражающими виноград.

Виноград является одной из наиболее древних и в то же время популярных сельскохозяйственных культур во всем мире. Его плоды богаты витаминами, минералами и антиоксидантами, такими, как полезный для сердечно-сосудистой системы ресвератрол. Для сохранения наиболее ценных сортов необходимо разработать и внедрить эффективные методы выращивания винограда, ведь растения не меньше животных подвержены воздействию инфекционных болезней. В сельском хозяйстве традиционно борются с грибковыми патогенами применением фунгицидов. Однако бесконтрольное внесение химических средств грозит негативными последствиями для здоровья экосистем и появлением новых, устойчивых к сельскохозяйственным ядохимикатам штаммов. Одно из направлений, позволяющих избежать подобных проблем, связано с геномным редактированием растений CRISPR/Cas9. Направленное изменение генетического материала винограда способно повысить его устойчивость к инфекции и тем самым снизить пестицидную нагрузку на окружающую среду. Но с химической же точки зрения вкус, цвет и запах вина определяется содержанием в нем определенного набора фенольных соединений. Оказывается, именно эти вещества выступают естественным блокатором механизмов, позволяющих ученым с помощью инструментов геномного редактирования повысить устойчивость растения к грибковой инфекции. Например, к широко распространенной в природе мучнистой росе. Ученым было известно, что активность гена MLO7 мешает растениям сопротивляться этой грибковой инфекции. Следовательно, его «выключение» поможет решить вопрос.

В начале своей работы сотрудники направления «Биология и биотехнология растений» Университета «Сириус» произвели изменение традиционной системы векторов, ранее уже успешно применявшихся другими исследователями и зарекомендовавших себя в качестве эффективного инструмента редактирования генома растений. Однако даже с помощью измененных векторов ученым не удалось добиться возникновения нужных мутаций, заставивших бы ген MLO7 «замолчать».

Исследователи принялись искать пути снижения концентраций фенольных соединений, защищающих ген от внешних воздействий, таких как инструменты редактирования генома CRISPR/Cas9. Выбор пал на хитозан – полимер хитина (вещество, входящее в состав клеточных стенок грибов). Это позволило в лабораторных условиях смоделировать процесс воздействия мучнистой росы на клетки винограда. Выяснилось, что применение полимера не только снизило количество фенолов, но и привело к увеличению уровня содержания перекисных соединений в клеточной культуре. Ученые снабдили векторы флуоресцентным сенсором, способным указать на рост количества перекисей внутри растительных клеток, свойственных активации иммунного ответа растений при их заражении грибной инфекцией. Таким образом, научной группе удалось, с одной стороны, временно снизить накопление фенольных метаболитов для изменения динамики процессов репарации ДНК (восстановления целостности последовательностей ДНК) в растительных клетках, увеличить вероятность отбора успешно отредактированных по гену MLO7 клеток, которые в перспективе дадут устойчивые к мучнистой росе растения. С другой стороны – потенциально повысить регенерационную способность и выживаемость клеток растений при использовании хитозана в качестве адаптогена, снижающего метаболическое давление в клетках метаболитного древесного растения.

Такие минимальные изменения в геноме помогут растению быть во всеоружии при встрече с болезнью. Один из несомненных плюсов этого подхода в том, что отредактированный метаболический путь будет задействован только при условии вступления растения в контакт с патогеном и не затронет механизмы синтеза важных для сортовых характеристик веществ. А значит, вкусовые качества винограда не пострадают.

Профессор Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Людмила Лутова уверена, что данный аспект имеет принципиальное значение для коммерческой перспективы разработки: «Бояться нечего, конечно, метаболизм может измениться, для редактированных объектов это уже показано. Растение – это организм с системным контролем, поэтому любое вмешательство может затронуть любой признак, любое свойство. Однако эти изменения могут носить и положительный характер, например, улучшить вкусовые свойства вина. Нами сделан первый шаг, который требует дальнейшего изучения растений и выявление лучших вариантов».

Старший научный сотрудник Научно-технологического университета «Сириус» Анастасия Физикова считает, что работы в области инфекционной резистентности чрезвычайно важны для виноделия: «Мучнистая роса впервые появилась в Европе в середине XIX века. Предположительно, этот патоген был завезен из Северной Америки вместе с американскими сортами винограда и впоследствии стал серьезной угрозой для уже европейских виноградников, ранее никогда не встречавшихся с этим заболеванием. Селекционеры пытались создать устойчивые к мучнистой росе сорта путем скрещивания европейских сортов с более устойчивыми североамериканскими видами. Однако полученные гибриды, несмотря на повышенную устойчивость к мучнистой росе, не смогли заменить традиционные европейские виды, так как из них невозможно было произвести продукт с привычным вкусом. Несмотря на то, что CRISPR/Cas редактирование винограда началось еще в 2016 году, на сегодняшний день получено весьма ограниченное количество сортов. Нам удалось найти подход к редактированию высокометаболитных сортов винограда на примере “мерло”, что потенциально ускорит процесс создания отредактированных древесных растений, устойчивых к мучнистой росе», – делится выводами один из основных авторов исследования.

Полученные данные открывают обширное поле для дальнейших исследований. Продолжив изучать спектры значимых метаболитов отредактированных и исходных растений, ученые смогут создать тест- системы для оценки винодельческих перспектив отредактированных сортов.