Исследователи объяснили, почему в природе не существует растений рыжика с желтыми семенами и как им удалось решить эту задачу.
эксклюзив 🔹
Усилия по достижению нулевых выбросов углерода от транспортного топлива увеличивают спрос на масло, производимое из непродовольственных культур. Эти растения используют солнечный свет для преобразования углекислого газа из атмосферы в масло, которое накапливается в семенах.
Селекционеры, заинтересованные в выборе растений, производящих много масла, обращают внимание на желтые семена. В масличных культурах, таких как рапс, сорта с желтыми семенами обычно производят больше масла, чем их аналоги с коричневыми семенами.
Причина: белок, отвечающий за коричневый цвет семян, которого не хватает растениям с желтыми семенами, играет ключевую роль в производстве масла.
Теперь биохимики растений из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), заинтересованные в увеличении синтеза растительного масла для устойчивого производства биотоплива и других биопродуктов, использовали эти знания для создания нового высокоурожайного сорта масличных культур, сообщает в релизе лаборатории Карен МакНалти Уолш.
В статье, опубликованной в The Plant Biotechnology Journal, они описывают, как применили инструменты современной генетики для получения желтосеменной разновидности растения Camelina sativa, близкого родственника канолы (коммерческой разновидности рапса), которая накапливает на 21,4% больше масла, чем обычный рыжик посевной.
«Если селекционеры могут добиться увеличения производства масла на несколько процентов, они считают это значительным, потому что даже небольшое увеличение имеет значение при выращивании культуры на больших площадях. В нашем случае увеличение выхода масла почти на 22% было неожиданным и потенциально может привести к резкому увеличению производству масла», - говорит биохимик Брукхейвенской лаборатории Джон Шанклин, заведующий отделом биологии лаборатории и руководитель программы исследования растительного масла.
Идея создания этого высокоурожайного сорта рыжика была простой: имитировать то, что происходит с естественными высокоурожайными желтосеменными сортами канолы.
«Когда селекционеры ранее выявили растения с желтыми семенами и с большим количеством масла, и их не особо беспокоил механизм. Но потом, как только ученые обнаружили ген, отвечающий как за желтый цвет семян, так и за повышенное содержание масла, появился способ потенциально увеличить выход масла у других видов», — сказал Шанклин.
Ген содержит инструкции по созданию белка, известного как Transparent Testa 8 (TT8), который, помимо прочего, контролирует выработку соединений, придающих семенам коричневый цвет. Важно отметить, что TT8 также ингибирует некоторые гены, участвующие в синтезе масла.
Сяо-Хун Юй, возглавлявший этот проект, предположил, что избавление от ТТ8 в рыжике должно снять ингибирование синтеза масла и высвободить некоторое количество углерода, который можно будет направить на производство масла.
Избавиться от одного-единственного гена у рыжика очень сложно, поскольку это растение вместо двух наборов хромосом (то есть двух копий каждого гена) имеет шесть наборов.
«Этот «гексаплоидный» геном объясняет, почему в природе не существует желтосеменных разновидностей рыжика. Маловероятно, что мутации возникнут одновременно во всех шести копиях TT8 и полностью изменят функционал растения», — пояснил Сяо-Хун Юй.
Благодаря инструментам современной генетики команде из Брукхейвенской лаборатории удалось вывести из строя все шесть копий TT8. Они использовали технологию редактирования генов, известную как CRISPR/Cas9, для нацеливания на определенные последовательности ДНК в генах TT8. Они использовали эту технологию, чтобы расщепить ДНК в этих местах, а затем создать мутации, которые деактивировали гены. Затем команда провела серию биохимических и генетических анализов, чтобы отслеживать эффекты целевого редактирования генов.
«Фенотип желтого семени, который мы искали, стал отличным визуальным ориентиром для наших поисков. Это помогло нам найти семена, которые мы искали, проверив менее 100 растений, среди которых мы определили три независимо возникающие линии, в которых все шесть генов были нарушены», — сказал Сяо-Хун Юй.
Результаты: цвет семенной кожуры изменился с коричневого на желтый только у растений, у которых были повреждены все шесть копий гена ТТ8. Желтые семена имели более низкие уровни «флавоноидных» соединений и «слизи» — и то, и другое обычно вырабатывается биохимическими путями, контролируемыми TT8, — чем коричневые семена штаммов рыжика с неотредактированными геномами.
Кроме того, многие гены, участвующие в синтезе масла и производстве жирных кислот, строительных блоков масла, экспрессировались на повышенных уровнях в семенах растений, отредактированных CRISPR/Cas9. Это привело к резкому увеличению накопления масла. Измененные семена содержали еще один положительный сюрприз: уровни белков и крахмала не изменились.
Целевые мутации TT8 были унаследованы в последующих поколениях растений рыжика, что позволяет предположить, что улучшения будут стабильными и продолжительными.
«Наши результаты демонстрируют потенциал для создания новых линий рыжика посевного путем редактирования генов, в данном случае путем манипулирования TT8 для усиления биосинтеза масла. Понимание дальнейших деталей того, как TT8 и другие факторы контролируют биохимические пути, может предоставить дополнительные гены-мишени для увеличения выхода масла», заключил Шанклин.
Источник: Brookhaven National Laboratory. Автор: Карен МакНалти Уолш.
На фото — художественное представление эффекта редактирования всех шести копий гена TT8 у Camelina sativa. Семена с инактивированными генами ТТ8 (справа) имеют желтую окраску, уменьшенную толщину семенной оболочки и накапливают почти на 22% больше масла, чем семена дикого типа (слева). Автор фото: Валери Ленц/Брукхейвенская национальная лаборатория.
