Редактирование генома для получения биоактивной сои с минимальным компромиссом между низким содержанием фитиновой кислоты и урожайностью

Исследование снижения фитиновой кислоты в соевых бобах с использованием CRISPR/Cas9

Фитиновая кислота (ФК), содержащаяся в семенах зерновых культур, значительно снижает биодоступность питательных элементов для моногастричных животных, что делает её важным объектом для исследования в контексте биофортификации семян. Одной из ключевых задач является снижение содержания ФК в семенах, и в этом исследовании была применена система редактирования генома CRISPR/Cas9 для создания популяции мутантов, нацеленных на гены, отвечающие за биосинтез и транспорт ФК.

1. Цели исследования

Целью данного исследования было создание новых мутантных сортов сои с низким содержанием фитиновой кислоты (lpa) с минимальными компромиссами в отношении агрономических показателей. Исследование сосредоточилось на редактировании генов, отвечающих за биосинтез и транспорт фитиновой кислоты, в частности, двух белков, устойчивых к множественным лекарственным препаратам (MRP5) и трёх инозитол-пентозофосфат-киназ (IPK1).

2. Генетические мишени

В ходе работы были охарактеризованы гены семейства GmIPK1 и GmMRP5, которые экспрессируются в семенах сои. Были идентифицированы три гомолога GmIPK1:
- GmIPK1a (Glyma.14G072200)
- GmIPK1b (Glyma.04G030000)
- GmIPK1c (Glyma.06G030100)

Также были выявлены два гена GmMRP5:
- GmMRP5a (Glyma.03G167800)
- GmMRP5b (Glyma.19G169000)

3. Создание конструкций для редактирования

Для редактирования генома были созданы две конструкции с использованием вектора pGES401:
- KO-PA-V1, нацеленная на гены IPK1
- KO-PA-V2, нацеленная на гены MRP5

4. Трансформация и отбор мутантов

Для проверки потенциала мультиплексных мутантов в снижении содержания фитиновой кислоты (PA) были трансформированы конструкции KO-PA-V1 и KO-PA-V2 с помощью метода объединённой трансформации. Среди 35 трансгенных линий T0 были выявлены:
- 8 растений только с KO-PA-V1
- 17 растений только с KO-PA-V2
- 10 растений с обеими конструкциями

Из этих линий были выделены различные типы мутантов, содержащие мутации в генах GmIPK1 и GmMRP5.

5. Характеризация мутантов

В потомстве T2 были получены и исследованы несколько гомологичных мутантов с различными мутациями, включая:
- Одиночные мутанты:
- gmipk1b194D (lpa-1)
- gmipk1c1I (lpa-2)
- gmmrp5b4D (lpa-3)
- Двойной мутант:
- gmmrp5a1I/gmmrp5b4D (lpa-4)
- Тройной мутант:
- gmipk1a1I/gmmrp5a703D/gmmrp5b4D (lpa-5)
- Четверные мутанты:
- gmipk1b1I/gmipk1c1I/gmmrp5a703D (lpa-6)
- gmipk1a1I/gmipk1b1I/gmmrp5a1I/gmmrp5b4D (lpa-7)

6. Анализ агрономических показателей

Линии с мультиплексными мутациями продемонстрировали значительно сниженное содержание PA, но также показали низкие агрономические показатели. В отличие от них, отдельные мутанты в генах ipk1b и ipk1c продемонстрировали умеренно сниженное содержание PA и нормальные агрономические показатели по сравнению с диким типом. Это указывает на то, что редактирование отдельных генов GmIPK1 является более оптимальной стратегией для получения сои с низким содержанием фитиновой кислоты, чем мультиплексный мутагенез.

7. Прогнозируемые побочные эффекты

Дополнительно был проведён анализ на предмет наличия побочных мутаций среди линий T2. Результаты показали отсутствие побочных мутаций, что подтверждает безопасность и эффективность использованной технологии редактирования.

Данное исследование демонстрирует возможность создания новых сортов сои с низким содержанием фитиновой кислоты с использованием CRISPR/Cas9. Умеренное снижение фитиновой кислоты через нацеливание на отдельные гены GmIPK1 позволяет достичь оптимального баланса между снижением содержания фитиновой кислоты и сохранением агрономических характеристик, что может привести к созданию более питательных и экологически устойчивых сортов сои.

Исследование: aBIOTECH