CRISPR заставил маниок делать улучшенный крахмал

Швейцарские биоинженеры научились при помощи CRISPR-Cas9 выключать гены у маниока (кассавы) и создавать стабильные сорта без трансгенной ДНК. В работе, опубликованной в Science Advances, ученые вывели сорт маниока с пониженным содержанием линейных цепочек крахмала, однако потенциально поле для редактирования этой ценной сельскохозяйственной культуры гораздо шире.

Съедобный маниок (Manihot esculenta), или кассава, входит в тройку самых важных источников углеводов в тропических регионах вместе с рисом и кукурузой. Клубни кассавы содержат до 40 процентов крахмала и составляют основу ежедневного рациона для 500 миллионов человек. Мука из кассавы, известная как тапиока, в отличие от пшеничной муки, не содержит глютена, и по этой причине приобрела популярность в западных странах, где немало людей страдает непереносимостью глютена.

Кроме того, кассава важна для промышленности в качестве источника крахмала. Большая часть промышленного крахмала используется в производстве бумаги, а также в текстильной промышленности, для производства биодеградируемых пластиков и клея. Крахмал состоит из амилопектина («сеточек» из глюкозы) и амилозы (линейных цепочек глюкозы). Во всех этих производствах, как и в пищевом, чаще всего востребован вязкий крахмал с низким содержанием амилозы. Для изменения физико-химических свойств крахмала линейные цепочки приходится сшивать между собой — в результате получается так называемый модифицированный крахмал (который к генетической модификации никакого отношения не имеет).

Упростить манипуляции с крахмалом на производстве помогло бы выведение сортов кассавы, где амилозы исходно будет мало. Биоинженеры из Швейцарской высшей технической школы Цюриха показали, что для этого достаточно выключить в клубнях ген GBSS, кодирующий грануло-связанную синтазу крахмала, которая задействована в синтезе амилозы. Для выключения гена ученые использовали систему CRISPR-Cas9, при помощи которой в одну стадию можно нарушить рамку считывания гена, и таким образом, сломать его. Генетическую кассету, содержащую ген Cas9 и направляющую РНК для GBSS, трансформировали в зародышевую ткань растения (каллус) при помощи агробактериальной Т-ДНК, и получили из нее растения, лучшие из которых содержали в два раза меньше амилозы (9 процентов против 18).

Однако получить из отдельных растений стабильную линию кассавы с нужным признаком, но без редактирующей кассеты оказалось не так просто. Дело в том, что она размножается преимущественно клубнями, и цветет довольно редко даже в природе, а в условиях лабораторной теплицы заставить кассаву цвести, чтобы получить семена, очень сложно. Без цветения растения невозможно скрещивать. Проблему удалось решить путем добавления к редактирующей кассете гена FT (FLOWERING LOCUS T) из модельного растения Arabidopsis thaliana. Продукт этого гена индуцирует в растениях цветение. После того, как кассава зацвела, за пару скрещиваний ученым удалось избавиться от трансгенной кассеты с Cas и FT, но сохранить нужный признак — мутацию в обеих копиях гена GBSS.

Данная работа важна не только выведением сорта кассавы с пониженным содержанием амилозы, но и отработкой технологий для генной инженерии этого растения. Маниок засухоустойчив, и в ходе глобального потепления и сопутствующего опустынивания регионов наверняка приобретет еще большую популярность как продукт питания. Помимо достоинств, у этого растения есть и недостатки, самый очевидный из которых — ядовитость сырых клубней, из-за чего маниок в обязательном порядке необходимо варить или сушить. При этом из-за проблем с цветением традиционная селекция сортов кассавы может занимать многие годы. Конкретно в этом случае генная инженерия могла бы принести сельскому хозяйству очевидную пользу.

CRISPR-редактирование растений удобно тем, что в идеале не оставляет после себя в геноме никаких лишних следов, кроме нужной мутации. По этой причине Министерство сельского хозяйства США, например, исключило из своей юрисдикции ГМ-продукты, полученные при помощи CRISPR (в частности, шампиньоны, которые не темнеют на воздухе). Тем не менее, Европейский суд приравнял такие растения к ГМО. О том, как российские и зарубежные ученые разрабатывают CRISPR-картофель, можно прочитать в нашем материале «Пойдем чинить картошку».

Дарья Спасская