Вчені з Китаю знайшли спосіб обійти природне успадкування генів рослин. Вони розробили нову систему генного редагування на основі CRISPR для прискореної передачі бажаних генів у рослинах. Система CAIN використовує механізм “токсин-антидот” для подолання успадкування Менделя, досягаючи 99% передачі генів протягом двох поколінь. Традиційні методи селекції обмежені ймовірністю передачі гена в 50%. Розробку можна використовувати для передачі потрібних ознак у сільськогосподарських культурах, роблячи їх більш стійкими до різних факторів, наприклад, бур’янів.
Загрозу продовольчій безпеці несуть бур’яни, а інвазивні рослини можуть спричинити екологічну кризу. Вчені бачать вирішення проблеми в генетичній модифікації дикорослих рослин. Традиційні методи селекції, засновані на принципах менделівського успадкування і дарвінівського природного добору, обмежені в отриманні бажаних генів, які можуть бути шкідливими для самих рослин. Успадкування Менделя – це принцип, який описує, як генетичні ознаки передаються від одного покоління до іншого. Він свідчить, що два алелі (різні форми одного й того самого гена) з рівною ймовірністю (50%) можуть бути передані нащадкам під час розмноження.
Існує метод генної інженерії під назвою генний драйв. Він дає змогу модифікувати гени таким чином, щоб вони не слідували звичайним правилам спадковості. Завдяки цьому підвищується ймовірність того, що певний набір генів буде передано наступному поколінню і пошириться по всій популяції. У такий спосіб можна поширювати риси, які приносять користь людям, серед диких популяцій. Китайські вчені розробили систему генного драйву в рослинах під назвою CRISPR-Assisted Inheritance utilizing NPG1 (CAIN). Ця система використовує механізм токсин-антидот у чоловічій статевій лінії, щоб подолати менделівське успадкування.
Синтетичний “токсин” – у даному випадку касета з РНК-спрямовувачем і Cas9 – використовувався для пошкодження гена No Pollen Germination 1 (NPG1), який обмежує проростання пилку. Потім для порятунку пилкових клітин, що несуть потрібний генний драйв, використовувалася стійка до CRISPR копія NPG1, що діє як “антидот”. Для відстеження поширення генного драйву в систему CAIN було додано маркер – ген червоного флуоресцентного насіння.
Ефективність передачі гена за допомогою системи CAIN значно перевершила очікуване менделівське успадкування (50%) у гетерозиготних самців-батьків, досягнувши показника від 88% до 99% протягом двох послідовних поколінь. Дослідники вибрали в якості моделі крес-салат і самозапильну рослину з сімейства капустяних. Це мінімізувало ризик випадкового потрапляння CAIN у дикі популяції рослин.
На відміну від інших систем генного драйву, CAIN демонструє менше утворення резистентних алелів. Резистентні алелі – це мутації, які перешкоджають роботі генного драйву, обмежуючи його ефективність. Дослідники обрали впливати на чоловічу статеву клітину, а не на жіночу. Генні драйви типу “токсин-антидот”, націлені на жіночу статеву клітину, можуть знижувати фертильність, а отже, результативність усієї системи.
За словами дослідників, CAIN може застосовуватися до багатьох видів рослин, оскільки ген NPG1 присутній у великої кількості видів. Одним із потенційних застосувань є боротьба з бур’янами, стійкими до гербіцидів. Цей підхід прагне знайти баланс між захистом сільськогосподарських культур і врахуванням екологічних факторів. Вчені визнають, що генний драйв CAIN може бути використаний не за призначенням, що може зашкодити домашнім культурам або дикорослим рослинам. Для мінімізації цих ризиків розробляються спеціальні методи захисту, наприклад, створення супресорних ліній, стійких до CAIN.