Спецвозможности
Технологии

Как редактирование генов повысит урожайность сельскохозяйственных культур

13.02.2018
1985
Как редактирование генов повысит урожайность сельскохозяйственных культур  фото, иллюстрация
Генетическое редактирование похоже на переключение света с помощью выключателя (почти). Кажется, что генетическое редактирование и переключатель имеют столько же общего, сколько и футболист и балерина. Но давайте копнем немного глубже. «Попросту говоря, генетическое редактирование - это как переключение света», - говорит Федерико Триподи, исполнительный директор американской компании Calyxt, работающей в сфере высоких технологий в сельском хозяйстве, в статье, вышедшей в американском интернет-издании Successful Farming.
 
Генетическое редактирование - это группа технологий, используемых для включения, выключения или видоизменения материала в определенных участках генома зерновых. Хотите преодолеть болезни сельскохозяйственных культур? Выключите переключатель. Хотите получить характеристики, которые влиют на повышение урожайность сельскохозяйственных культур? Включите переключатель.
 
Ученые считают эту технологию столь же революционной, как и появление генетически модифицированных кукурузы и сои на рынке в девяностые годы. К тому же, она не несет недостатков ГМО.

«ГМО — это помещение в растение чужеродного материала. При генетическом редактировании мы просто вносим изменения в уже существующий геном», - говорит Адриан Перси, глобальный руководитель исследований и разработок для Bayer Crop Science.

Генетическое изменение может оказаться интересной технологией для потребителей. «Когда мы говорим о введении чужеродных генов, потребители опасаются. Редактирование существующих генов растения вызывает у них не так много опасений», - говорит Ричард Уилкинс, фермер и председатель Американской соевой ассоциации.
 
Фермеры быстро почувствовали агрономические преимущества технологии ГМО. Потребители - нет. Генетическое изменение может изменить ситуацию, поскольку оно создает продукты, которые не содержат транс-жиров и имеют высокое содержание сложных углеводов и клетчатки, а также устраняет аллергию на продукты.
 
«Если эта технология поможет людям жить лучше, я думаю, что мы сможем направить ее в приемлемое для потребителей русло», - говорит Чип Боулинг, фермер и бывший президент Национальной ассоциации производителей кукурузы США.

Как это работает технология на повышение урожайности

Генетическая информация организма (растения, животного или человека) кодируется в ДНК. Спираль ДНК содержит четыре нуклеотидные базы: аденин, цитозин, гуанин и тимин. В литературе они часто обозначаются заглавными начальными буквами названий каждого из этих веществ. Эти буквы и их порядокдействительно создают генетический код организма. «Изменение порядка букв может изменить этот код», - объясняет Брэд Фаббри, главный научный сотрудник американской венчурно-технологической фирмы в сельском хозяйстве TechAccel.

Эти изменения произошли естественно - путем мутагенеза.
 
«Это может произойти случайно. Прогулка по берегу моря и попадание космических лучей могут изменить ДНК», - говорит Брэд Фаббри.
 
Селекционеры в растениеводстве также использовали мутагенез, чтобы стимулировать изменения с целью выведения новых сортов. Однако это часто занимает годы. «С помощью CRISPR-Cas (одна из технологий генетического изменения, основанный на CRISPR - коротких палиндромных повторах, регулярно расположенных группами и Cas - ассоциированных белках - ред.) срок может быть сокращен до шести месяцев», - отмечает Дин Буши глобальный менеджер по регуляторной базе исследовательской деятельности Bayer Crop Science.
 
Генетическое редактирование иногда устраняет случайности и неточности, которые иногда возникают в результате введения в геном чужеродных линий с помощью трансгенных технологий. То есть, с точки зрения аккуратности генетическое изменение против ГМ-технологии - это мощная винтовка против дробовика.
 
«Одним из отличий генетической технологии (по сравнению с технологией ГМО) является и специфика, которой мы можем достичь. Мы идентифицируем генетическую последовательность, связанную только с нужным геном, а не с остальными геномов. Например, чтобы получить устойчивость к сульфонилмочевине (д. в. гербицидов) у канолы, мы внесли две-три смены в код ее гена», - говорит Ф. Триподи.
 
«Как правило, генетическая модификация продуктов занимает 13 лет и потребует около $ 130 млн для коммерциализации. Мы можем улучшать сельхозкультуры путем генетического изменения в полтора раза быстрее», - добавляет он.

 

Точная обрезка

Ученые могут это сделать, используя различные инструменты, которые режут и редактируют геном растения. Они включают:
  • TALEN (нуклеазы, выступающие транскрипционными эффекторами активаторного типа)
  • мегануклеазы

нуклеазы «цинкового пальца»

  • CRISPR-Cas
  • Мутагенез, направленный на олигонуклеотиды (Oligonucleotide-directed mutagenesis — ODN).
  • Сконструированные мегануклеазы.
«Вы можете думать об этих инструментах, как о ножницах, которые делают точный вырез ДНК. Они могут или дезактивировать или активировать определенный ген», - говорит Триподи.
 
«Такая обрезка запускает в клетке собственный механизм воспроизводства ДНК с целью внесения изменений», - добавляет Брэд Фаббри. Это похоже на естественную мутацию (такую, которая возникает в результате действия космических лучей или солнечных ультрафиолетовых лучей), которая повреждает ДНК, а затем запускает восстановление.
 
Все вышеупомянутые инструменты генетического редактирования имеют различные характеристики, влияющие на повышение урожайности сельскохозяйственных культур . Технология TALEN является собственностью компании Calyxt. Ученые говорят, что ее точность помогает избежать ненужных сокращений генома.
 
Такие компании, как DuPont Pioneer, используют фермент CRISPR-Cas9, который похож на молекулярные ножницы.
 
«Мы можем отрезать здесь, отрезать там и внести целевые изменения. Аналогично текстовому редактору, технология которого может заменять, редактировать и изменять написание», - говорит Боб Мили, старший научный сотрудник DuPont Pioneer.
 
Как и TALEN, фермент CRISPR-Cas9 также может редактировать пять или более различных генов в одном геноме.
 
«В прошлом за один раз можно было исправить только один ген. Это первая технология, которая позволяет нам просматривать до пяти генов или больше», - говорит Дин Буши.

 

Ограничения

Генетическое редактирование - это еще не конечная цель ученых. Несмотря на то, что ученые описали много геномов сельскохозяйственных культур, они не знают, сколько еще генов функционирует в геноме.
 
«Мы должны знать, какие именно гены нужны, прежде чем мы можем их изменить. Мы знаем последовательность генов, но мы должны также понимать, как они работают», - говорит Дин Буши.
 
Еще одно препятствие: редактирование генов может изменить культуру, только если желаемые свойства уже имеются. Например, защита от вирусного заболевания будет работать, только если она уже присутствует в генах.

Поэтому Дин Буши говорит, что

технологии ГМО никуда не исчезнут в ближайшее время.

«Например, генетическое изменение все еще не может выработать устойчивость к вредоносным насекомым. Но для таких вещей, как засухоустойчивость, которая уже может существовать в растении, технология может работать хорошо. Большие и глубокие геномные знания дадут нам лучшие и точные данные в долгосрочной перспективе», - добавляет Боб Мили.

 

А как насчет регуляторного одобрения?

Сегодня вполне вероятно, что генетически измененные семена избегут долгого процесса одобрения регуляторными органами, с которым столкнулись генетически модифицированные организмы.
 
«В апреле 2016 г. министерство сельского хозяйства США сообщило, что регламентация генов не будет регулироваться так же, как ГМО. Ведь в ГМО используется генетический материал других видов. Это не то, что мы делаем», - говорит Морри Брайант, старший менеджер по маркетингу DuPont Pioneer.
 
«Это существенно уменьшит расходы на соблюдение требований законодательства, что делает конкурентоспособными и относительно небольшие фирмы», - говорит Джон Голдберг, основатель консалтинговой компании Science Based Strategies.
 
«Сведенное к минимуму государственное регулирование может помочь команде с недорогими технологическими затратами использовать технологии генетического редактирования. Сейчас пакет CRISPR-Cas9 можно заказать в Интернете примерно за $ 110», - говорит Дин Буши.
 
«CRISPR-Cas дешевый и с ним легко работать. На самом деле даже старшие школьники могут использовать эту технологию», - добавляет Брэд Фабри.
 
«Генетическое редактирование предоставляет уникальную возможность демократизировать доступ к технологиям так же, как и к цифровым инструментам», - говорит Робб Фрале, главный технолог компании  Monsanto.

 

Что говорит потребитель?

Нормативное урегулирование и доступность технологии еще не означают победу в битве. Потребителям приходится объяснять, что пищевые продукты, произведенные с применением редактирования генов, являются безопасными.
 
«Надо учиться на опыте ГМО. Мы хотим выслушать потребителей и понять их опасения», - говорит Боб Мели.
 
«Компании должны иметь прозрачные технологии. Потребители имеют право знать, что содержится в продуктах и безопасно ли это», - добавляет Брэд Фаббри.
 
Ключевым является также производство продуктов, привлекательных для потребителей.
 
«Если компании смогут изготовить продукты, такие как картофельные чипсы или французское жаркое, с менее вредными компонентами, то я думаю, что это то направление, в котором должна развиваться индустрия. Это может помочь изменить мнение потребителей, которые заботятся своим здоровьем и здоровьем своей семьи», — продолжает Б. Фаббри.

 

Изменение генетического кода

Еще одна американская компания - Cibus, использует свою систему быстрого развития генетических линий для повышения устойчивости растений к болезням, гербицидам или экологическим стрессовым факторам. Сотрудники Cibus говорят, что это делается с помощью изменения только одной или нескольких букв в генетическом коде.
 
Работники Cibus указывают, что во всех клетках есть сложные системы, которые корректируют ДНК и исправляют ошибки копирования, которые возникают, когда клетки разделяются. Эта технология работает, управляя этой системой естественного восстановления, чтобы изменения в генетическом коде были точными. Это дает ожидаемые полезные свойства, как утверждают работники компании.
 
Хирургическая точность технологии помогает ускорить скорость селекции растений.

Ожидания

Существует целый ряд генетически отредактированных культур, которые намерены выйти на рынок в ближайшем будущем. Вот некоторые из них:
 
Високоолеиновые соевые бобы. Calyxt выводит високоолеиновую сою, с которой планирует выйти на рынок в 2018 г. Эта соя привлекательна для потребителей, потому что она здоровее, чем многие пищевые масла, как утверждают сами пищевики. В них нет транс-жиров и содержание олеина превышает 75%. Это примерно как в оливковом масле, здоровом пищевом масле. Также высокоолеиновое соевое масло имеет вдвое-втрое более длительный срок хранения, чем обычное.

Calyxt также развивает толерантность к гербицидам в пшенице с помощью изменения генов. Компания изучает такие продукты, как сорта пшеницы с пониженным содержанием глютена и увеличенным содержанием пищевых волокон.

Восковая кукуруза. Компания DuPont Pioneer планирует выпустить улучшенные модификации восковой кукурузы в 2019 или 2020 г. «Мы являемся лидерами на рынке восковой кукурузы», - комментирует Боб Мели.
 
Cibus также разрабатывает новые продукты, используя технологию быстрого развития генетических линий, среди которых:
 
Устойчивый к глифосату лен. Должен появиться на рынке через несколько лет.
 
Два не трансгенных устойчивых к гербицидам сорта риса.
 
Устойчивый к болезням (конкретно - к фитофторозу) картофель.
 
Перевела Маргарита Малиновская

Интервью
AgroGeneration является одним из крупнейших агрохолдингов Украины не только по объемам производственных площадей, но и по операционной эффективности. Главное направление деятельности компании -
Раиса Вожегова, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член-корреспондент НААН Украины, директор Института орошаемого земледелия
Институт орошаемого земледелия НААН Украины занял 1-е место среди экспортеров наукоемкой продукции и получил Международный сертификат «Экспортер года». Его руководителя - доктора сельскохозяйственных

1
0