Ускорить более чем в четыре раза создание улучшенных сортов ячменя с ценными свойствами с помощью нового метода генетического редактирования смогли ученые ИЦиГ СО РАН. Результаты представлены в рамках доклада на VIII Международной научной конференции «Генетика, Геномика, Биоинформатика и Биотехнология растений» (PlantGen2025). Предложенный исследователями подход основан на системе, известной как «молекулярные ножницы», но с важным усовершенствованием — добавлением комплекса генов, полученных от пшеницы и регулирующих скорость роста и развитие растения в целом. Разберём, как работает этот метод, какие свойства ячменя можно улучшить и почему это важно для сельского хозяйства.
Что такое генетическое редактирование и как оно применяется в селекции
Генетическое редактирование — это метод изменения ДНК растений с целью улучшения их свойств, таких как урожайность, устойчивость к болезням и адаптация к климатическим условиям. Интересно, что традиционная селекция растений требует много времени — от 10 до 15 лет для создания нового сорта, так как включает многократное скрещивание и отбор растений с желаемыми признаками. Интересно, что метод CRISPR/Cas9, известный как «молекулярные ножницы», позволяет точно редактировать гены, внося изменения в определенные участки ДНК без введения чужеродных генов. Это значительно ускоряет процесс селекции, но до сих пор имел ограничения в скорости получения зрелых растений с измененными генами. Новый метод, разработанный учеными ИЦиГ СО РАН, преодолевает это ограничение, добавляя гены, которые ускоряют рост и развитие растения, что позволяет создавать новые сорта ячменя в четыре раза быстрее, чем раньше.
Как работает усовершенствованный метод генетического редактирования
Ученые ИЦиГ СО РАН усовершенствовали метод CRISPR/Cas9, добавив в него комплекс генов, полученных от пшеницы, которые регулируют скорость роста и развития растения. Интересно, что эти гены, известные как гены «ускоренного развития», активируют процессы клеточного деления и дифференцировки, что позволяет растению проходить все стадии роста быстрее, не теряя качества. Интересно, что процесс начинается с редактирования генов ячменя, отвечающих за устойчивость к засухе, болезням или качество зерна, с помощью CRISPR/Cas9. Затем в растение вводится комплекс генов ускоренного развития, который активируется только на время селекционного процесса. Это позволяет получить зрелые растения с желаемыми признаками всего за 6–8 месяцев вместо традиционных 2–3 лет. После завершения селекции гены ускоренного развития деактивируются, и растение развивается нормально, сохраняя внесенные улучшения в своем геноме.
Этапы ускоренной селекции ячменя
- Идентификация генов, отвечающих за желаемые признаки (устойчивость, урожайность и т.д.);
- Редактирование генов с помощью CRISPR/Cas9 для внесения улучшений;
- Введение комплекса генов ускоренного развития из пшеницы;
- Быстрое выращивание растений с улучшенными признаками за 6–8 месяцев;
- Деактивация генов ускоренного развития и тестирование стабильности улучшений.
Улучшаемые свойства ячменя
Новый метод позволяет улучшить несколько важных свойств ячменя, что делает его более ценным для сельского хозяйства и промышленности. Интересно, что одним из основных направлений является повышение устойчивости к засухе, что особенно важно в условиях изменения климата и роста дефицита воды в сельском хозяйстве. Интересно, что ученые также работают над улучшением устойчивости к грибковым заболеваниям, таким как мучнистая роса и ржавчина, что снизит потребность в пестицидах. Кроме того, метод позволяет улучшить качество зерна — увеличить содержание белка и улучшить его аминокислотный состав, что важно для кормового ячменя. Для пивоваренной промышленности можно создать сорта с оптимальным содержанием крахмала и ферментов, необходимых для производства пива. Это делает метод универсальным инструментом для создания сортов ячменя, адаптированных к конкретным потребностям фермеров и промышленности.
Преимущества перед традиционными методами селекции
Новый метод генетического редактирования предлагает несколько важных преимуществ перед традиционными методами селекции. Интересно, что сокращение времени создания новых сортов с 10–15 лет до 2–3 лет позволяет быстрее реагировать на изменения климата и новые болезни, угрожающие урожаям. Интересно, что в отличие от генетически модифицированных организмов (ГМО), где в растение вводятся чужеродные гены, этот метод изменяет только существующие гены ячменя, что делает полученные сорта более приемлемыми для регулирования и общественного восприятия. Кроме того, ускоренное развитие не влияет на качество конечного продукта, так как гены ускоренного развития деактивируются после завершения селекции. Это позволяет создавать сорта, которые по своим свойствам не отличаются от традиционных, но обладают улучшенными характеристиками. Для фермеров это означает доступ к новым сортам быстрее, что может повысить урожайность и снизить потери от болезней и неблагоприятных условий.
Экономические и экологические выгоды
Внедрение ускоренного метода селекции ячменя может привести к значительной экономии в сельском хозяйстве. Интересно, что снижение времени создания новых сортов сократит затраты на селекционные программы и ускорит внедрение улучшенных сортов в производство. Интересно, что сорта с повышенной устойчивостью к засухе и болезням снизят потребность в воде и пестицидах, что уменьшит экологическую нагрузку и снизит затраты фермеров. Кроме того, улучшение качества зерна повысит его рыночную стоимость и откроет новые возможности для использования ячменя в пищевой и кормовой промышленности. Для развивающихся стран, где ячмень является важной культурой, такие сорта могут улучшить продовольственную безопасность и повысить доходы фермеров. Это делает технологию не только научно интересной, но и социально значимой для всего человечества, особенно в условиях роста населения и изменения климата.
Будущее развития метода
Ученые ИЦиГ СО РАН продолжают работать над улучшением своего метода и расширением его применения. Интересно, что следующим этапом станет адаптация технологии для других зерновых культур, таких как пшеница и рожь, которые также важны для мирового сельского хозяйства. Интересно, что разрабатываются методы точечного управления генами ускоренного развития, чтобы еще больше оптимизировать процесс селекции для конкретных условий. Кроме того, ученые изучают возможность комбинирования нескольких улучшений в одном сорте, например, устойчивость к засухе и болезням одновременно. Сотрудничество с сельскохозяйственными предприятиями позволит адаптировать технологию для коммерческого применения и довести улучшенные сорта до фермеров. Это не просто лабораторная разработка, а шаг к практическому решению, которое может изменить подход к селекции и помочь в решении глобальных проблем продовольственной безопасности.
Почему это важно для будущего сельского хозяйства
Это исследование показывает, как наука может ускорить процесс, который раньше занимал десятилетия, до нескольких лет. Интересно, что в условиях быстрого изменения климата и роста населения сельское хозяйство нуждается в новых сортах, которые могут адаптироваться к новым условиям быстрее, чем раньше. Для фермеров это означает доступ к улучшенным сортам в кратчайшие сроки, что может спасти урожаи и повысить доходы. Для всего человечества это шаг к более устойчивому и продуктивному сельскому хозяйству, способному обеспечить продовольствием растущее население планеты. Интересно, что использование точных методов генетического редактирования без введения чужеродных генов делает технологию более приемлемой для широкого применения и регулирования. В условиях, когда традиционные методы селекции становятся недостаточно быстрыми для реагирования на быстро меняющиеся условия, такие инновации становятся критически важными для обеспечения продовольственной безопасности будущих поколений. Это не просто новый метод селекции, а новый подход к созданию сельскохозяйственных культур, который может изменить будущее питания для всего человечества.
