Как технология редактирования генома CRISPR делает сельхозкультуры устойчивыми к изменению климата?
Ряд отраслей и областей науки изучают инновационные технологии для смягчения последствий изменения климата в сельском хозяйстве. Одним из таких методов является редактирование генома — метод, который облегчает программируемые и высокоточные модификации геномов организмов. Эти изменения могут включать удаление, глушение или вставку желаемых генов.
Вот пять способов, с помощью которых редактирование генов обеспечивает столь необходимую устойчивость сельского хозяйства к изменению климата:
1. Повышение засухоустойчивости
Засуха наносит тяжелый урон урожайности сельхозкультур и является основной причиной потерь во всем мире. Используя методы редактирования генов, ученые могут помочь растениям адаптироваться к различным абиотическим стрессам, вызванным изменением климата, включая засуху. К другим абиотическим стрессам относятся засоление, колебания температуры (высокая/низкая) и присутствие тяжелых металлов в почве.
Когда растения подвергаются засухе, они проявляют различные характеристики, приспосабливаясь к условиям. Чтобы помочь растениям переносить абиотические стрессы, включая засуху, исследователи определяют конкретные гены, которые задействованы, а затем редактируют эти гены, чтобы повысить устойчивость растений.
Некоторые гены растений, известные как гены чувствительности (или гены Se) усиливают пагубное воздействие абиотических стрессов. Стратегии редактирования генома, в частности CRISPR-Cas, использовались на нескольких видах растений, в том числе на зерновых, овощных и фруктовых культурах, для повышения устойчивости к абиотическому стрессу путем разрушения этих генов Se.
Также проводятся исследования с использованием редактирования генов на основе технологии CRISPR для улучшения засухоустойчивости пшеницы, маниоки, папайи, сахарного тростника и хлопка.
2. Лечение заболеваний
Изменение климата может увеличить серьезность и вероятность заболеваний растений.
«Ожидается, что большинство болезней, поражающих растения и животных, станут более распространенными с изменением климата, — говорится в исследовании, опубликованном в Frontiers in Sustainable Food Systems. — Увеличение количества переносчиков, повышение температуры, способствующее размножению патогенов, и повышение восприимчивости организмов-хозяев к патогенам — это лишь некоторые из многих причин ухудшения болезни, вызванных изменением климата».
Чтобы противостоять надвигающимся вспышкам, ученые работают над приданием устойчивости к болезням скоту и продовольственным культурам без использования пестицидов и фунгицидов.
Например, вирус банановой полосы (BSV) активируется в стрессовых условиях, таких как засуха и экстремальная жара, которые, как ожидается, будут сопровождать изменение климата в Африке, особенно в районах, где бананы широко выращиваются как важная продовольственная культура. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа из Международного института тропического сельского хозяйства в Найроби (Кения), впервые применила технологию редактирования генома CRISPR для деактивации вируса банановой полосы бананов.
3. Повышение урожайности
В более широком контексте, за некоторыми исключениями, глобальное изменение климата может привести к снижению урожайности селохокультур и снижению продуктивности животноводства. По мере роста населения во многих регионах, увеличения спроса на продукты питания, падение урожайности может потребовать расчистки большего количества лесных угодий для сельскохозяйственных нужд.
Хотя в прошлом для повышения урожайности использовались традиционные методы селекции, растущий спрос на продовольствие создает потребность в более эффективных и оптимизированных подходах к улучшению сельскохозяйственных культур для получения более высоких урожаев. Технология CRISPR-Cas9 является наиболее многообещающей технологией для удовлетворения этой потребности.
Ряд генных изменений дал более устойчивые культуры с более высокой урожайностью. Например, при редактировании генома риса были получены линии с увеличенной до 68% урожайностью. CRISPR/Cas9 также использовался для увеличения размера томатов, в то время как другие инструменты редактирования способствовали увеличению мышечной массы у домашнего скота.
4. Преодоление засоления почвы
Засоление почвы является серьезным абиотическим стрессом, препятствующим росту растений, и ожидается, что он усугубится с изменением климата.
Расширение засоленных пахотных земель стало серьезной угрозой мировой продовольственной безопасности. Около 6% посевных площадей уничтожается из-за засоления почвы с постоянным увеличением на 1–2% каждый год по всему миру, что приводит к значительным потерям урожая основных зерновых культур, таких как кукуруза, рис и пшеница.
С изменением климата часто возникает нехватка воды, что вынуждает фермеров использовать поливную воду более низкого качества, которая, возможно, содержит соли, что приводит к повышению засоленности почвы. Высокая засоленность почвы повлияла на выращивание различных культур, например, товарных томатов. В настоящее время ученые успешно использовали CRISPR для придания помидорам высокой солеустойчивости.
В другом примере ученые из Хуачжунского сельскохозяйственного университета и Шанхайского агробиологического генетического центра удалили ген в рисе, чтобы улучшить его устойчивость к повышенным концентрациям соли в почве.
5. Борьба с сорняками
Гербициды являются важными химическими веществами в глобальном сельском хозяйстве. Сорняки наносят колоссальный вред глобальному сельскому хозяйству, значительно снижая урожайность и доходы фермеров. В Индии, например, оценки показали, что сорняки снижают урожайность на 31,5%. Борьба с сорняками также несет социальные издержки. Во многих развивающихся странах женщины и дети занимаются прополкой вручную, что ограничивает их возможности посещать школу или использовать экономические возможности.
Некоторые из факторов, которые способствуют быстрому росту сорняков в контексте изменения климата, включают повышение концентрации углекислого газа и связанные с этим изменения глобальной температуры и количества осадков.
Сорняки, вероятно, проявят большую устойчивость и лучшую адаптацию к изменениям концентрации CO2 и повышению температуры в конкуренции с сельскохозяйственными культурами из-за их разнообразного генофонда и большей физиологической пластичности, говорится в исследовании, проведенном Департаментом агрономии Канзасского университета.
Также было показано, что изменения климата влияют на использование гербицидов, инсектицидов и фунгицидов за счет изменения их эффективности и стойкости. Одно из решений, предложенных для смягчения проблемы, включает разработку новых химических веществ, поскольку ожидается, что устойчивость сельскохозяйственных культур к химическим веществам снизится в результате изменения климата.
Редактирование генома представляет собой эффективное противодействие этой проблеме. В одном ярком примере ученые использовали редактирование генома с помощью технологии CRISPR для разработки аллеля устойчивости к гербицидам в рисе. Помимо предложения фермерам гибкой и простой стратегии борьбы с сорняками, устойчивость к гербицидам позволяет фермерам практиковать беспахотную или минимальную обработку почвы, что помогает уменьшить эрозию почвы, а также сводит к минимуму выбросы парниковых газов за счет снижения потребления ископаемого топлива и нарушения почвы.