Обычные эксперименты по разведению могут занять годы, чтобы принести плоды

Когда ученые хотят улучшить сорт овощей, для того, чтобы увидеть изменения, может потребоваться год или меньше — всего лишь продолжительность репродуктивного цикла. Но селекционные улучшения в деревьях могут занять годы, иногда десятилетия, прежде чем изменения будут заметны.

Теперь процесс, разработанный исследователями из Университета Джорджии, может сократить это время до минимума.

Используя инструмент для редактирования генов CRISPR, Си Джей Цай из Школы лесного хозяйства и природных ресурсов университета Уорнелла и Колледжа искусств и наук Франклина разработал метод, который сокращает время, необходимое тополю для цветения, примерно с семи до 10 лет всего до нескольких месяцев. Сокращая этот срок, можно ускорить выведение деревьев с улучшенными характеристиками, такими как устойчивость к холоду или засухе.

Результаты были недавно опубликованы в журнале New Phytologist. Статья также проливает свет на то, как у деревьев развиваются репродуктивные органы, и открывает двери для новых исследований.

"Предыдущие методы получения ранних цветов у тополей были непоследовательными и трудоемкими. Это серьезное препятствие для исследований", - сказал Цай, профессор Уинфред Н. "Хэнк" Хейнс и выдающийся ученый из Исследовательского альянса Джорджии.

"Но используя CRISPR для редактирования гена-репрессора цветения, мы можем сократить время цветения с более чем семи лет до трех-четырех месяцев, а годовой период развития цветочных органов - до нескольких дней".

Ран Чжоу, постдокторский научный сотрудник Tsai, ранее работал над определением пола у ив и тополей. Используя его идеи, команда решила отредактировать CRISPR специфичный для женского пола ген переключения пола у самки тополя. Они рассудили, что это возможно с помощью системы раннего цветения, позволяющей обойти длительный репродуктивный цикл деревьев. В течение нескольких месяцев Цай и ее команда увидели новые мужские цветы, свидетельствующие об успешной смене пола.

Этот метод может изменить правила игры в мире исследований деревьев, где проекты могут занять десятилетия по сравнению с исследованиями продовольственных культур. Сокращая время, необходимое дереву для цветения, исследователи могут проводить контролируемые скрещивания и быстрее оценивать интересующие признаки. Например, признаки, помогающие деревьям лучше переносить засуху или экстремальные температуры, можно было бы протестировать за меньшие сроки.

По словам Цая, в эксперименте использовались тополя из-за их потенциала в качестве биоэнергетических древесных культур, а их ДНК была полностью картирована Министерством энергетики. Обычно проходят годы, прежде чем можно будет определить пол тополя.

"Система ускоренного цветения имеет решающее значение и своевременна для обеспечения селекции с быстрым циклом и геномного отбора с быстрым циклом у многолетних древесных видов сырья", - сказал Цай.

Цай и ее команда также заметили бонус к процессу развития цветка: у женского тополя есть потенциал развития для тримоноэзии, или способности иметь мужские и женские цветки на одном растении. Как правило, тополя - это отдельные мужские и женские деревья. Но с их ускоренным цветением Мария Ортега, старший научный сотрудник Лаборатории функциональной геномики леса Tsai, наблюдала необычное развитие мужских цветков или целых мужских и женских цветков у женских тополей, которые изучала команда.

Проект CRISPR выявил еще один удивительный поворот, когда исследователи наблюдали за ростом цветущих деревьев: дополнительная правка гена показала многообещающие результаты в уменьшении количества прикреплений хлопковых семян, используемых растениями для распространения семян каждую весну.

Белые, покрытые перьями придатки могут быть неприятностью, когда они выпадают, или кошмаром для аллергиков. Блокируя специфический ген детерминации и цветения, команда Цая обнаружила, что хлопковые прикрепления практически отсутствуют.

Хотя этот процесс требует дальнейшего изучения, в будущем он может стать положительным изменением для людей, страдающих аллергией. "Это обеспечивает молекулярную основу для создания безволосых семян, которые могли бы уменьшить распространение аллергенов в городских районах или в рабочих лесах", - добавила она.

Изменение в семенных волосках не только помогло подтвердить этот процесс, но и создало новые возможности для изучения того, как деревья созревают и размножаются. Цай сказала, что она в восторге от новых возможностей.

"Эта работа открыла много новых возможностей для исследования основных репродуктивных признаков", - сказала она. "И меньшие временные рамки могут дать студентам больше возможностей для их собственных исследовательских проектов, вместо того, чтобы начинать что-то, что требует лет или десятилетий для получения результатов".