Чтобы бороться с сельскохозяйственными вредителями, ученые пробуют распылять растительные вакцины
РНК-интерференция может использоваться для защиты продовольственных культур и улучшения здоровья растений, генная инженерия не требуется.
Ежегодно во всем мире от 20 до 40 процентов продовольственных культур погибает от вредителей и патогенов. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), это приводит к тому, что 821 миллион человек остается без достаточного количества пищи и обходится мировой экономике примерно в 220 миллиардов долларов.
Распространение вредителей и болезней усугубляется изменением климата, которое оказывает огромное влияние на поставки продовольствия, изменяет экосистемы и создает новые ниши, в которых эти вредители могут процветать. Под воздействием измененной экосистемы насекомые и вредители, вероятно, расширят свой ареал. Из-за подобных серьезных угроз продовольственной безопасности ученые ищут устойчивые решения для защиты сельскохозяйственных культур.
В августе 2019 года исследовательская группа, возглавляемая Свеном-Эриком Беренсом из Университета Мартина-Лютера в Галле-Виттенберге, Германия, объявила о разработке быстрого и надежного подхода к созданию «вакцины» для растений. Его можно распылять как пестицид или даже вводить как вакцину для животных.
Это может отключить или даже точно настроить генную экспрессию, как переключатель на лампе
Он работает благодаря системе под названием РНК-интерференция или РНКи. РНКи можно рассматривать как своего рода иммунную систему: клетка распознает двухцепочечную РНК (двоюродную сестру ДНК, которая также несет генетическую информацию), которая не является его собственной, как вирус, пытающийся захватить клетку, и расщепляет ее РНК на мелкие фрагменты. Затем клетка использует эти фрагменты, чтобы идентифицировать и остановить дальнейшую активность патогена. Интересно, что эукариотические клетки животных, растений и грибов, также используют РНКи для регуляции своих собственных генов, распознавая и подавляя свою собственную РНК. Это может отключить или даже точно настроить генную экспрессию, как переключатель на лампе.
Группа Беренса воссоздала механизм РНКи в своей лаборатории, используя культивируемые клетки растений табака и двухцепочечную РНК из TBSV (вирус кустистой карликовости томатов). Затем они искали вирусную РНК, которая вызывала самую сильную реакцию РНКи в табаке. После выявления они проводили эксперименты по «вакцинации», вводя эту РНК в незараженные растения табака. Они обнаружили, что растения, привитые самой мощной вакциной, были защищены на 90%.
До сих пор попытки вакцинации РНКи были основаны на генетической модификации растений для экспрессии специфических РНК, обычно наблюдаемых только у вредных организмов, поэтому они растут уже привитыми. В 2017 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) одобрило генетически модифицированную кукурузу, специально разработанную для борьбы с кукурузным корневым червем. Однако в некоторых странах существуют опасения относительно использования ГМО. Страны, которые запретили ГМО, ищут нетрансгенные, устойчивые альтернативы для борьбы с вредителями, которые могут сократить использование пестицидов. Благодаря сочетанию простого распыления, характерного для химических пестицидов с точностью обеспечиваемой генной инженерией, растительные «вакцины» на основе РНКи представляют собой устойчивую альтернативу в защите растений, где использование ГМО запрещено правилами.
Одним из основных преимуществ «вакцинации» растений является то, что молекулы РНК могут доставляться растениям извне путем местного применения, такого как распыление, инъекция стебля, поливка корня или обработка семян. Этот простой способ доставки дает растительным «вакцинам» РНКи еще одно преимущество: гибкость. Вирусы и патогены постоянно мутируют, чтобы адаптироваться к меняющимся условиям; разработка специализированной РНК-вакцины будет быстрее и проще, чем трудоемкие и трудоемкие процедуры, необходимые для редактирования генов. Это было бы преимуществом для многолетних культур, таких как виноградная лоза, цитрусовые и яблони, которые часто требуют многолетних экспериментов и являются дорогостоящими для генетической модификации. «Вакцины» РНКи также очень специфичны: лечение воздействует только на целевые патогены, в то время как нежелательное воздействие на другие организмы, как ожидается, будет ограниченным.
Вакцинация растений будет иметь огромное значение для многих коммерчески важных культур, которым угрожают вирусы, как рис, пшеница, кукуруза, сладкий картофель, маниока и банан. Например, по меньшей мере десять различных видов вирусов были обнаружены в растениях маниоки, пораженных мозаичной болезнью маниоки (CMD), которая приводит к значительным потерям урожая и голоду в восточной и центральной Африке, а в последнее время и в юго-восточной Азии, угрожая существования 800 миллионов человек по всему миру.
Поскольку эукариотические вредители, такие как насекомые, используют РНКи для точной настройки или выключения своих собственных генов, это можно использовать против них. И хотя РНКи нельзя напрямую использовать против бактерий, которые заражают растение (поскольку бактерии не используют РНКи), ее можно использовать для борьбы с насекомыми, которые несут с собой бактерии, перенося их от зараженного к здоровому растению. Если насекомое грызет растение, несущее РНК которая отключает ген необходимый для жизни насекомого, РНКи будет функционировать как целевой биоразлагаемый пестицид.
Это было бы очень полезно в случае бактерии Xylella fastidiosa, которая вызывает целый ряд заболеваний у различных видов растений, таких как болезнь Пирса у виноградной лозы, пестрый хлороз цитрусовых и синдромом быстрого увядания оливковых деревьев (OQDS). X. fastidiosa недавно распространилась в регионе Апулия, в южной части Италии, где уничтожает столетние оливковые деревья и угрожает местной экономике. Тем не менее, по оценкам, бактерии могут контактировать с 563 видами растений, относящихся к 82 ботаническим семействам. Они часто передается насекомыми, которые питаются соком, главным образом, цикадами в Америке и пенницей слюнявой в Европе. На сегодняшний день, кроме мер профилактики и сдерживания, не существует известного лечения Xylella fastidiosa. Но обработка РНКи в состоянии защитить посевы от переносчиков X. fastidiosa, и поэтому может быть инструментом для борьбы с бактериальными инфекциями.
Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, как молекулы РНК могут быть получены в больших промышленных количествах. Некоторые ученые считают, что растительные «вакцины» РНКи являются перспективным устойчивым методом защиты продовольственных культур, но есть некоторые опасения.
Источник: massivesci.com/articles/rna-interference-vaccine-plants-corn-rootworm-rnai/
