Грядущие проблемы с продовольствием давно волнуют мировое сообщество. Пока экологи просят постепенно сокращать поголовье скота и переходить на другие белковые продукты, а биологи трудятся над созданием еды будущего, генетики решают проблему по-своему. В частности, пишет «Вести.Наука», повышают устойчивость растений к различным негативным факторам.

Большие надежды в вопросе о том, как накормить голодающих, возлагаются на рис. Это одна из наиболее важных сельскохозяйственных культур в мире. Особенно большую популярность, как известно, рис имеет в Юго-Восточной Азии, где на него приходится до 76% калорий всего рациона местных жителей.

Чтобы повысить урожайность, учёные при помощи генной инженерии наделили этот злак устойчивостью к неблагоприятным климатическим и природным условиям, а также создали новые экспериментальные сорта.

Теперь же международная команда специалистов при помощи методов генной инженерии создала «суперрис», который способен бороться сразу с несколькими заболеваниями. Это актуально, поскольку болезни, вызванные бактериальными или грибковыми патогенами, могут привести к потере 80% урожая риса.

Американские учёные из университета Дьюка совместно с китайскими коллегами исследовали иммунные реакции растений и выявили компоненты, которые могут быть использованы для создания устойчивых к болезням культур. Правда, практическое применение этих компонентов способно привести к снижению урожайности, поэтому исследователями пришлось решать сразу несколько проблем.

«Иммунитет — это палка о двух концах, — говорит ведущий автор работы Синьнянь Дун (Xinnian Dong). — Часто существует компромисс между ростом и защитой, потому что защитные белки не только токсичны для патогенов, но и вредны для самих растений при избыточной экспрессии. Это серьёзная проблема в создании сельскохозяйственных культур, устойчивых к болезням, ведь конечной целью является защита урожая».

Растения не имеют кровотока для циркуляции иммунных клеток. Вместо этого они используют рецепторы снаружи своих клеток, чтобы идентифицировать молекулы, которые сигнализируют о вторжении микробов, и реагировать, выпуская множество противомикробных соединений. Идентификация генов, которые запускают этот иммунный ответ и делают его активнее, поможет в создании суперсильных растений, уверены специалисты.

Синьнянь Дун изучает один из этих генов в течение 20 лет. Он называется NPR1 и является главным регулятором защиты растений. Учёные, пытающиеся повысить устойчивость риса, пшеницы, яблонь, томатов и других культур, изучают NPR1 на примере резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) — модельного растения из семейства капустных.

Оказалось, что включение гена NPR1 работает не просто хорошо, а даже слишком: растения растут плохо, когда их собственная иммунная система перегружена. Это и есть палка о двух концах, о которой говорила Синьнянь Дун: при активации NPR1 растения более устойчивы к патогенам, однако практически не дают урожая.

Чтобы решить эту проблему, требуется найти так называемый контрольный переключатель, который позволил бы активировать иммунную реакцию только тогда, когда растение подвергается нападению, а в остальное время оно бы спокойно росло и давало урожай. Именно такой механизм стал открытием, которое поможет в будущем поднять урожай риса и других культур до небывалых показателей.

Изучая активирующий иммунную систему белок под названием TBF1 на примере резуховидки Таля, ботаники и генетики обнаружили сложную систему, которая вызывает быстрый иммунный ответ. Механизм его работы таков: готовые к отправке молекулы РНК, которые кодируют TBF1, быстро запускают синтез этого белка, а он включает мощную иммунную защиту. Фрагмент ДНК, который в ходе работы был назван «шкатулка TBF1», действует как контрольный переключатель для этого иммунного ответа растения. Поэтому учёным оставалось лишь скопировать эту «шкатулку TBF1» из генома резуховидки и вставить её рядом и перед геном NPR1 в геноме риса.

В результате рисовые растения оказались способны быстро «наращивать» активность иммунной системы при достаточно сильных атаках патогенов. В то же время, эти иммунные ответы были короткими и никак не повлияли на рост культуры.

В ходе тестов эксперты подвергли модифицированный рис воздействию различных болезней. Две из них вызываются бактериями (бактериальный ожог риса (Xanthomonas oryzae pv. oryzae) и бактериальная полосатость риса (Xanthomonas oryzae pv. oryzicola), а одна – патогенным грибом Magnaporthe oryzae. Поражение быстро распространилось по листьям контрольных растений, тогда как «суперрис» продемонстрировал высокую устойчивость к ним.

Авторы заключают, что результаты их работы имеют огромный потенциал для сельского хозяйства, ведь открытый механизм создания «суперрастений» не должен ограничиваться только рисом.

Полный текст исследования опубликован в журнале Nature.

Напомним, что ранее методы генного редактирования помогли учёным создать устойчивых к туберкулёзу коров.