Угрозу продовольственной безопасности несут сорняки, а инвазивные растения могут вызвать экологический кризис. Ученые видят решение проблемы в генетической модификации дикорастущих растений. Традиционные методы селекции, основанные на принципах менделевского наследования и дарвиновского естественного отбора, ограничены в получении желаемых генов, которые могут быть вредны для самих растений. Менделевское наследование — это принцип, который описывает, как генетические признаки передаются от одного поколения к другому. Он гласит, что два аллеля (различные формы одного и того же гена) с равной вероятностью (50%) могут быть переданы потомству при размножении.
Существует метод генной инженерии под названием генный драйв. Он позволяет модифицировать гены таким образом, чтобы они не следовали обычным правилам наследственности. Благодаря этому повышается вероятность того, что определенный набор генов будет передан следующему поколению и распространится по всей популяции. Таким способом можно распространять черты, которые приносят пользу людям, среди диких популяций. Китайские ученые разработали систему генного драйва в растениях под названием CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1 (CAIN). Эта система использует механизм токсин-антидот в мужской половой линии, чтобы преодолеть менделевское наследование.
Синтетический «токсин» — в данном случае кассета с направляющей РНК и Cas9 — использовался для повреждения гена No Pollen Germination 1 (NPG1), который ограничивает прорастание пыльцы. Затем для спасения пыльцевых клеток, несущих нужный генный драйв, использовалась устойчивая к CRISPR копия NPG1, действующая как «антидот». Для отслеживания распространения генного драйва в систему CAIN был добавлен маркер — ген красных флуоресцентных семян.
Эффективность передачи гена с помощью системы CAIN значительно превзошла ожидаемое менделевское наследование (50%) у гетерозиготных самцов-родителей, достигнув показателя от 88% до 99% в течение двух последовательных поколений. Исследователи выбрали в качестве модели кресс-салат и самоопыляющееся растение из семейства капустных. Это минимизировало риск случайного попадания CAIN в дикие популяции растений.
В отличие от других систем генного драйва, CAIN демонстрирует меньшее образование резистентных аллелей. Резистентные аллели — это мутации, которые препятствуют работе генного драйва, ограничивая его эффективность. Исследователи выбрали воздействовать на мужскую половую клетку, а не на женскую. Генные драйвы типа «токсин-антидот», нацеленные на женскую половую клетку, могут снижать фертильность и, следовательно, результативность всей системы.
По словам исследователей, CAIN может применяться ко многим видам растений, поскольку ген NPG1 присутствует у большого количества видов. Одним из потенциальных применений является борьба с сорняками, устойчивыми к гербицидам. Этот подход стремится найти баланс между защитой сельскохозяйственных культур и учетом экологических факторов. Ученые признают, что генный драйв CAIN может быть использован не по назначению, что может навредить домашним культурам или дикорастущим растениям. Для минимизации этих рисков разрабатываются специальные методы защиты, например, создание супрессорных линий, устойчивых к CAIN.
