Недавно доктор Юй Ронг Чен и доктор Эдвард Каргилл из исследовательского центра Bayer Crop Science в Миссури, США, стали соавторами статьи под названием «Одновременная генетическая трансформация и редактирование генома», опубликованной в aBIOTECH. В исследовательской статье «Смешанные линии сои (Glycine max) и кукурузы (Zea mays)» сообщается о методе смешанной трансформации и редактирования линий, который позволяет одновременно трансформировать и редактировать множество превосходных генотипов сои и кукурузы.

В исследовании сообщается о методе одновременной трансформации и редактирования нескольких генотипов смешанными линиями (генотипами) до производства эксплантов семенных эмбрионов, называемом трансформацией и редактированием смешанных линий (TREDMIL). При этом подходе многие линии смешиваются перед производством эксплантов семенных эмбрионов, а затем, используя технологию редактирования генома, смешанные линии трансформируются для получения вставок и делеций в целевой области гена путем совместной экспрессии специфичных для сои Dt1 или кукурузы BM3 CRISPR РНК (crRNAs) и нуклеазы Cas12a. После регенерации идентичность штамма была расшифрована путем идентификации генотипа, а отредактированные результаты были проверены путем секвенирования ампликона.

С помощью генотипической идентификации событий регенерации мы обнаружили, что 97% (101) из 104 хороших генотипов сои были одновременно трансформированы, и восстановленные инверторы были распределены по разным группам зрелости (MG) от 00 до VII. Аналогично, 55% (22) из ​​40 превосходных инбредных линий кукурузы были одновременно трансформированы, и эти конвертеры были распределены по разной относительной зрелости (RM) от 92 до 117. Амплификационное секвенирование показало, что 94% из 101 трансформированных линий сои были отредактированы в целевой Dt1, и более 80% трансформированных линий сои произвели более 90% событий редактирования для этой линии. Аналогично, в конверсионных линиях кукурузы редактирование целевой Bm3 достигло 69%, включая 17 из 22 преобразованных женских инбредных линий. Полученные результаты свидетельствуют о том, что системы трансформации семенного эмбриона могут быть использованы для эффективной, генотипически гибкой трансформации и редактирования генома.

Технология редактирования генома CRISPR/Cas стала мощным инструментом для селекции сельскохозяйственных культур благодаря своим мощным функциям, привнося революционные изменения в сельскохозяйственную сферу. Эта технология не только позволяет точно модифицировать гены, но и сочетается с гибкими методами трансформации растений генотипов для теоретического создания целевых вариаций в любом месте в различных зародышевых плазмах вида. Однако, несмотря на быстрое развитие самой технологии редактирования генома, развитие технологии трансформации растений относительно отстает, что в определенной степени ограничивает широкое применение технологии редактирования генов в селекции сельскохозяйственных культур.

Развитие технологии трансформации растений 

Технология значительно продвинулась с тех пор, как ученые впервые успешно трансформировали растения в середине 1980-х годов. От первоначальной суспензионной культуры до каллусной культуры и эволюции незрелых эмбрионов методы трансформации растений постоянно оптимизируются. В последние годы, используя регуляторы развития, такие как BBM и WUS, а также регуляторы роста GRF и факторы взаимодействия GRF GIF и химеры GRF-GIF, ученые смогли стимулировать соматический эмбриогенез, улучшить регенеративную способность некоторых однодольных и двудольных видов и сделать трансформацию трудно трансформируемых генотипов более успешной. Тем не менее, эти методы все еще имеют определенные ограничения и требуют дальнейших инноваций и улучшений.

Инновации и прорыв в технологии TREDMIL 

В исследовательской статье, опубликованной в aBIOTECH, исследовательская группа из исследовательского центра Bayer Crop Science в Миссури, США, представляет инновационный метод трансформации и редактирования гибридной линии (TREDMIL). В этом методе несколько растений разных генотипов смешиваются для трансформации и редактирования до получения эксплантатов семенного эмбриона. Вставочные делеции в целевой области гена генерируются путем совместной экспрессии специфичных для сои Dt1 или кукурузы BM3 CRISPR РНК (crRNAs) и нуклеазы Cas12a. После регенерации идентичность штамма была расшифрована путем идентификации генотипа, а отредактированные результаты были проверены путем секвенирования ампликона.

Успешное внедрение технологии TREDMIL показывает ее многочисленные преимущества в селекции сельскохозяйственных культур. Во-первых, она позволяет трансформировать и редактировать несколько генотипов одновременно, что значительно повышает эффективность селекции. Во-вторых, метод подходит для множества различных генотипов, включая те, которые трудно трансформировать. Кроме того, посредством идентификации генотипа и секвенирования ампликона можно гарантировать, что каждый штамм может быть точно идентифицирован, и проверить точность результатов редактирования.

Результаты применения технологии TREDMIL 

 Генотипируя события регенерации, исследователи обнаружили, что 97 процентов (101) из 104 хороших генотипов сои были одновременно трансформированы, и 55 процентов (22) из ​​40 хороших инбредных линий кукурузы были одновременно трансформированы. Эти трансформанты были распределены по разным группам зрелости и относительной зрелости, показывая гибкость генотипа. Во всех 101 конверсионных линиях сои редактирование целевого Dt1 достигло 94%, тогда как в конверсионных линиях кукурузы редактирование целевого Bm3 достигло 69%. Эти результаты показывают, что технология TREDMIL может достигать эффективной, генотипически гибкой трансформации и редактирования генома.

Разнообразие характеристик редактирования и селекционная значимость 

Дальнейшие исследования показали, что большие отредактированные спектры, созданные в различных источниках зародышевой плазмы, могут способствовать геномному открытию. Например, 45 процентов событий редактирования в 98 различных генотипах сои обнаружили семь делеций оснований на участке Dt-1389, в то время как 65 процентов событий редактирования в кукурузе имели значительные три делеции оснований на участке Bm3-2070. Такое разнообразие характеристик редактирования предоставляет селекционерам ценную информацию, которая помогает оценить взаимодействия событий редактирования зародышевой плазмы на ранних этапах селекционной программы, что приводит к более обоснованным решениям по селекции.

Перспективы точной селекции 

Применение технологии TREDMIL свидетельствует о наступлении эры точной селекции. При таком подходе селекционеры могут ускорить разработку новых сортов, решить проблемы глобальной продовольственной безопасности и охраны окружающей среды, а также повысить урожайность и качество культур. Поскольку технологии продолжают совершенствоваться и оптимизироваться, у нас есть основания полагать, что будущая селекция культур станет более эффективной и точной и сможет лучше удовлетворять потребности человека в здоровой и устойчивой пище.

Заключение 

Внедрение технологии редактирования генома CRISPR/Cas, особенно метода TREDMIL, произвело революцию в селекции сельскохозяйственных культур. Она не только повышает эффективность и точность селекции, но и предоставляет новые инструменты для решения глобальных проблем продовольственной безопасности и охраны окружающей среды. По мере того, как технологии продолжают развиваться и оптимизироваться, мы ожидаем увидеть больше инноваций и прорывов в селекции сельскохозяйственных культур в будущем для достижения более эффективного и точного улучшения сельскохозяйственных культур для удовлетворения растущего спроса человечества на здоровую и устойчивую пищу.