Молекулярные ножницы CRISPR / Cas работают как тонкий хирургический инструмент и могут использоваться для изменения генетической информации в растениях. Исследовательские группы профессора Хольгера Пухта из Технологического института Карлсруэ (KIT) и профессора Андреаса Хоубена из Лейбницкого института генетики растений и исследований сельскохозяйственных растений (ГПК) в Гатерслебене стали первыми, кто не только обменивается отдельными генами, но и рекомбинирует целые хромосомы с технологией CRISPR / Cas. Таким образом, желаемые свойства могут быть объединены в посевах. Их работа с использованием модельного растения thale cress описана в Nature Plants. (DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-020-0663-x)

В течение тысячелетий люди использовали тот факт, что генетический материал организмов изменяется в процессе эволюции. Они выращивают культуры, которые дают высокие урожаи, являются ароматическими или устойчивыми к болезням, вредителям и экстремальным климатическим условиям. Для этого они выбирают растения с различными благоприятными свойствами и скрещивают их. Этот подход, однако, очень трудоемкий. Более того, невозможно предотвратить попадание неблагоприятных признаков в растения.

Молекулярный биолог профессор Хольгер Пухта изучает, как растения можно выращивать быстрее и точнее. За свой проект CRISBREED он получил расширенный грант Европейского исследовательского совета (ERC) на сумму 2,5 миллиона евро. Хольгер Пухта считается пионером редактирования генома. Он использует молекулярные ножницы, чтобы специально модифицировать ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту), которая несет генетическую информацию в сельскохозяйственных культурах. С помощью этой технологии CRISPR / Cas гены могут быть легко удалены, вставлены или заменены. CRISPR / Cas обозначает определенный участок ДНК (CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Retats) и фермент (Cas), который распознает этот раздел и разрезает ДНК именно в этой точке. Культуры, полученные в результате редактирования генома, не содержат ДНК, поэтому их не следует приравнивать к классическим генетически модифицированным организмам.

Первый обмен руками между хромосомами

В рамках CRISBREED исследователи кафедры молекулярной биологии и биохимии Ботанического института KIT, возглавляемого профессором Хольгером Пухтой, в сотрудничестве с профессором Андреасом Хоубеном из ИПК, Гатерслебен, достигли первого решающего прогресса в использовании молекулярных ножниц CRISPR / Cas. Впервые они обменялись оружием между хромосомами растительного образца кресс-салата ( Arabidopsis thaliana ) с помощью белка Cas9, происходящего из бактерии Staphylococcus aureus . «Геном состоит из определенного числа хромосом, в которых отдельные гены расположены в фиксированном порядке», – объясняет Пухта. «Пока что CRISPR / Cas позволил модифицировать только отдельные гены. Теперь мы можем модифицировать и рекомбинировать целые хромосомы». Эти новые хромосомы потом наследуются.

Результаты, представленные в Природные растения обещают привести к значительным преимуществам при выращивании сельскохозяйственных культур: как правило, сложно сочетать положительные свойства и одновременно устранять отрицательные свойства, поскольку решающие гены часто располагаются в очень близкое соседство с одной и той же хромосомой и передается вместе. Благодаря обмену руками между хромосомами эти свойства теперь могут быть разделены.

Теперь у нас есть возможность специально контролировать модификацию хромосом и усиливать или ослаблять связи между свойствами. Эта контролируемая перестройка генома произведет революцию в будущем выращивании сельскохозяйственных культур ».

Профессор Хольгер Пухта, Ботанический институт им. К.И.Т.