Это обсуждали в рамках Всемирного саммита агротехнологических инноваций World Agri-Tech. Мероприятие прошло в Сан-Франциско 19 и 20 марта и собрало свыше 2500 делегатов из всех звеньев цепочки создания стоимости в сельском хозяйстве из более чем четырех десятков стран. Двухдневный саммит был посвящен коммерциализации решений для климатически устойчивого сельского хозяйства.
эксклюзив 🔹
Об этом пишет Мадлен Баерг в статье, опубликованной на портале Seed World: «На одной из самых интересных сессий World Agri-Tech были рассмотрены многочисленные и разнообразные возможности CRISPR. В групповой дискуссии, которую модерировал Ховард-Яна Шапиро, выдающийся старший научный сотрудник Всемирного агролесомелиорационного центра (ICRAF), приняли участие различные научные лидеры, каждый из которых использует CRISPR для достижения различных целей и каждый из которых видит перед этой технологией захватывающие возможности. Вот некоторые примеры.
Питание сельскохозяйственных культур
Чтобы выращивать сельскохозяйственные культуры, необходимые для того, чтобы накормить миллиарды жителей Земли, у фермеров в настоящее время нет другого выбора, кроме как использовать большое количество удобрений, которые влекут за собой очень значительные затраты. Однако большая часть этих инвестиций тратится впустую: только около 50 процентов внесенного азота фактически служит своему назначению. Остальное либо денитрифицируется и теряется в атмосфере в виде парниковых газов, либо теряется со стоками в водные системы, где это способствует проблемам с качеством воды и цветению водорослей. Что, если CRISPR сможет все это изменить?
Участник дискуссии Эдуардо Блюмвальд, заслуженный профессор клеточной биологии факультета наук о растениях Калифорнийского университета в Дэвисе, работает над тем, как CRISPR поможет сельскохозяйственным культурам собирать азот из воздуха.
Теоретически сокращение зависимости от традиционных удобрений имеет очевидное решение, поскольку 80% нашего воздуха состоит из азота, а от 10 до 15 процентов почвенных бактерий способны фиксировать аммоний, который может служить пищей для растений. Задача состоит в том, чтобы побудить бактерии, способные фиксировать азот, действительно выполнять эту работу. Фиксация резко ограничена, поскольку кислород в почве ингибирует фермент нитрогеназу, необходимый для процесса фиксации азота.
«Это проблему решает CRISPR, и вот что мы сделали, — рассказал Блюмвальд в ходе панельной дискуссии. — Растения взаимодействуют с окружающей средой посредством химических веществ. Они постоянно выделяют химикаты через корни. Благодаря этому они могут «разговаривать» с окружающей средой. Итак, мы начали анализировать, какой из этих химикатов может вызвать образование биопленок у почвенных бактерий».
Почему биопленка? Биопленка практически непроницаема для кислорода. Таким образом, даже при наличии кислорода в почве бактерии, окруженные биопленкой, могут успешно фиксировать азот, производить аммиак и питать растения.
«Мы проверили почти 3000 химических веществ. Мы нашли несколько, затем вернулись к растениям и попытались установить сложный метаболический путь для понимания приложения технологии редактирования генов – CRISPR – к стимуляции образования биопленок у растений. Процесс был далеко не простым, но мы это сделали конкретно для риса и пшеницы. Сегодня в университете мы выращиваем рис и пшеницу, которым нужно лишь 50 процентов от обычного количества азотных удобрений. И, надеюсь, однажды эта технология дойдет до фермеров. В конечном счете, решение о том, будут ли эти сорта экономически жизнеспособным, сводится к простой математике. Это всего лишь бизнес-формула: сколько я трачу; сколько я зарабатываю. Если будет удобно фермерам, то это будет принято», — сказал Блюмвальд.
Следующий шаг, который уже реализуется в настоящее время, — это работа с селекционерами над внедрением технологии в высокопроизводительные сорта для перехода к коммерческому этапу.
Скоростная селекция
Участник дискуссии Дэвид Сэвидж, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза при Институте инновационной геномики, сказал, что его особенно воодушевляет потенциал CRISPR по ускоренному созданию новых культур и даже локализованных сортов.
Традиционная селекция растений — это очень медленный, обременительный и трудоемкий процесс, который может занять годы. По словам Сэвиджа, одним из преимуществ сегодняшнего набора геномных инструментов является более быстрый способ узнать об основной биологии растений, что в конечном итоге помогает ускорить процесс размножения.
«Разница между, скажем, однодольными и двудольными, двумя основными классами растений, на самом деле подобна разнице между людьми и динозаврами: с точки зрения дивергенции это произошло давно. CRISPR и связанные с ним технологии позволяют нам узнавать о каждом растении все быстрее», — пояснил он.
Таким образом, CRISPR и связанные с ним технологии могут открыть захватывающие возможности, и не только в отношении обычных культур.
«Я думаю, что есть некоторые интересные возможности того, как мы могли бы применить это не только к хорошо известным культурам, таким как картофель или рис, но и к менее популярным, или, возможно, даже начать одомашнивание других растений для создания новых видов продуктов питания», — сказал он.
Например, Savage проводит работу селекции локализованных видов в Африке. Там существуют растения — например, местные тыквы, выращиваемые только мелкими фермерами в Нигерии, — по которым почти не проводилось научных исследований нигде в мире. В то время как традиционная селекция может быть слишком дорогостоящей и трудоемкой для такой специализированной культуры, ускоренная селекция с помощью CRISPR может сделать улучшение качества и продуктивности этих растений реальностью в ближайшем будущем.
«Благодаря такой технологии и пониманию генома мы могли бы привнести такие признаки — например, изменения во времени цветения, которые могут быть очень полезны для селекционеров растений — определенным, более программируемым образом. Я думаю, это открывает много возможностей», — сказал Сэвидж.
Устойчивость к болезням и вредителям
Хотя уже возможно воздействовать конкретно на гены, участник дискуссии Кинерет Шефер, генеральный директор и соучредитель GeneNeer, сказала, что, по ее мнению, следующим шагом в технологии CRISPR будет повышение ее эффективности за счет подавления генов тканеспецифичным способом.
Деятельность канадской компании GeneNeer нацелена на две ключевые характеристики картофеля: устойчивость к нематодам и устойчивость к Verticillium dahliae, грибу, который является серьезной и растущей проблемой в Северной Америке, особенно в Канаде.
«Причина, по которой Verticillium dahliae становится растущей проблемой в картофелеводстве, заключается в том, что современные и популярные раннеспелые сорта выведены для быстрого созревания урожая, чтобы, например, приспособиться к сезону в Канаде. Но раннее созревание картофеля генетически связано с меньшей устойчивостью к этому грибу. Таким образом, сорта картофеля, стремящиеся к ультраспелости, становятся все более уязвимыми для грибов», — объяснила она во время дискуссии.
Решение? Редактирование генов. «Редактирование генов на данный момент является единственным инструментом, который может очень точно воздействовать на ген, потому что, по моему мнению, скрещивание не решит данную проблему», — сказала Шефер.
Она добавила, что поиск решений сейчас имеет решающее значение не только для сегодняшних проблем. Использование редактирования генов для повышения устойчивости картофеля к Verticillium dahliae «является очень хорошим примером увидеть то, что может стать серьезной угрозой для картофелеводческого сектора Канады через 10 или 20 лет», подытожила Шефер.
Куда идет CRISPR в селекции растений
Шефер отмечает, что открывающиеся возможности сельского хозяйства просто удивительны благодаря технологиям, которые теперь находятся под рукой у селекционеров.
«Когда я была аспирантом, секвенирование генома могло занять годы. Сегодня мы можем сделать это за считанные дни. И нам даже не нужно секвенировать, чтобы получить гены: у нас есть передовые технологии для их идентификации, и у нас есть инструменты биоинформатики, чтобы предсказать их функциональность, и инструменты искусственного интеллекта, чтобы предсказать одну функциональность от одной культуры к другой. Мы не медлим. Мы движемся очень быстро, используя множество высокоразвитых комбинированных технологий: от информатики до прогнозирования, редактирования генов и тканевых особенностей. Если мне придется заглянуть в будущее и найти все качества, которые нам нужны, я искренне верю, что мы сможем сделать это уже сегодня», — сказала она.
Тем не менее, несмотря на всю функциональность CRISPR, это не панацея.
«Чудодейственного средства не существует, — говорит Блюмвальд. — Вы должны действительно хорошо сделать домашнее задание. И вам нужно интегрировать биохимию, найти метаболиты и помнить, что в биологии, особенно в биологии растений, 90 процентов реакций обратимы. И, пожалуйста, используйте NGS — секвенирование нового поколения стоит дешево, потому что вам нужно контролировать любой возможный результат».
Регуляторные вопросы остаются основным препятствием для CRISPR и связанных с ним технологий. Однако некоторые, казалось бы, непреодолимые проблемы регулирования могут решиться, по крайней мере частично, сами собой.
Прекрасным примером этого является банан. «Забавно, как мы смогли войти через заднюю дверь, — говорит модератор Ховард-Яна Шапиро. — Европейскому Союзу, чтобы ввезти бананы Кавендиш в Евросоюз, в очень короткие сроки придется принять банан CRISPR. Потому что регионы, где мы никогда не думали, что увидим Панамскую болезнь Расы 4, такие как Колумбия и другие места, которые являются крупными регионами выращивания бананов, сейчас страдают. Желания и потребности должны будут начать работать рука об руку».
Шефер призвала пищевую промышленность выступить в качестве ключевого сотрудника и партнера в поддержке CRISPR, поскольку эта технология позволяет достичь ключевого и актуального приоритета клиентов: сокращение использования пестицидов.
«Не существует действительно хорошего способа избежать снижения урожайности, не защитив ее от вредителей. Единственный известный мне способ повысить устойчивость сельскохозяйственных культур — это редактирование генов, и я думаю, что пищевые компании должны воспользоваться этой возможностью, чтобы возглавить этот процесс и сотрудничать с учеными, с инновациями, сформировать группы сотрудничества и возглавить их… потому что потребителя хотят знать, что они едят», отметила она.
Сельское хозяйство в ближайшие несколько лет ждут интересные и потенциально преобразующие годы, считают все спикеры. «Очевидно, что каждый университет в Америке использует CRISPR в одной из своих лабораторий. Каждый университет в Великобритании и ЕС использует CRISPR в своих лабораториях. Все просто ждут разрешения регулирующих органов выпустить свои разработки на рынок», заключил Шапиро».
Источник: www.seedworld.com. Автор: Мадлен Баерг.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
