Zdjęcie kawy można rozmnażać przez szczepienie pędu na podkładzie innego rośliny sirichai_asawalapsakul/Getty Images
Starożytny trik szczepienia jednej rośliny na innej mógłby znaleźć bardzo nowoczesne zastosowanie – umożliwiając edycję genów roślin, które są bardzo trudne lub niemożliwe do edytowania innymi sposobami.
„Wciąż jest we wczesnym stadium, ale ta technika ma ogromny potencjał” – mówi Ugo Rogo z Uniwersytetu w Pizie we Włoszech.
Nadanie roślinom większej produktywności i większej wartości odżywczej jest istotne dla rozwiązania ogromnych szkód wyrządzanych przez rolnictwo i dla ograniczenia wzrostu cen żywności w miarę wzrostu populacji świata i coraz większego wpływu zmian klimatycznych na plony. Precyzyjne zmiany, jakie można dokonać za pomocą edycji genów CRISPR, są najlepszym sposobem osiągnięcia tego.
Jednak edycja genów roślin jest trudna, ponieważ rośliny mają sztywne ściany komórkowe wokół nich, w przeciwieństwie do komórek zwierzęcych. Konwencjonalne inżynieria genetyczna roślin polega na takich technikach jak wystrzeliwanie DNA-nasączonych pocisków w komórki roślin – zwanych biolistyką – lub wykorzystanie naturalnie inżynieryjnego organizmu mikrobiologicznego znanego jako Agrobacterium.
Te podejścia polegają na generowaniu całych roślin z modyfikowanych komórek, a przy wielu roślinach, zwłaszcza drzew, nie jest to możliwe. Na przykład nie działa to w przypadku kakaowca, kawy, słoneczników, manioku czy awokado.
Nawet dla roślin, gdzie działa, istnieje jeszcze jedna istotna kwestia. Gdy edycja genów jest używana do wywołania drobnych mutacji, które są bardzo powszechne w przyrodzie, regulacje w kilku krajach traktują to jako równoważne ze standardowym krzyżowaniem roślin, co oznacza, że takie rośliny mogą uzyskać zgodę bez długich i kosztownych prób wymaganych dla konwencjonalnie modyfikowanych genetycznie roślin. Ale w przypadku biolistyki i Agrobacterium, do roślin wstawiany jest dodatkowy DNA, co oznacza, że muszą one przechodzić przez cały proces regulacyjny.
Naukowcy od roślin starają się znaleźć sposoby edycji roślin, które działają dla większej liczby gatunków i które nie dodają do genomu żadnych niepożądanych fragmentów DNA. Jedną z opcji jest wykorzystanie wirusów do dostarczania RNA kodującego części zestawu narzędzi CRISPR do komórek roślinnych. Tutaj problemem jest to, że białko Cas9 szeroko stosowane do edycji genów jest bardzo duże, co oznacza, że RNA kodujące je nie mieści się w większości wirusów.
W 2023 roku Friedrich Kragler z Instytutu Maxa Plancka Fizjologii Molekularnej Roślin w Niemczech ujawnił inny sposób. Wiedział, że korzenie roślin produkują specjalny rodzaj RNA, który może przemieszczać się po roślinach i wchodzić do komórek w pędach i liściach.
Dlatego jego zespół zrezygnował genetycznie z modyfikowanych roślin, aby wytwarzały takie RNA kodujące dwa kluczowe składniki CRISPR: białko Cas, które dokonuje edycji, i RNA przewodnika, które mówi mu, gdzie dokonać edycji. Następnie przeszczepiono pędy niemodyfikowanych roślin na korzenie zmodyfikowanych roślin i pokazano, że spowodowało to edycję genów niektórych pędów i nasion.
Rogo i jego koledzy uważają, że podejście to jest tak obiecujące, że teraz napisali artykuł podkreślający to i zachęcający innych do pomocy w jego rozwijaniu. „Szczepienie daje nam możliwość wykorzystania systemu CRISPR w drzewach lub w roślinach takich jak słoneczniki” – mówi Rogo.
Istotą szczepienia jest to, że względnie odległe rośliny mogą być szczepione na siebie nawzajem – na przykład można szczepić pędy pomidora na korzenie ziemniaka. Dlatego, nawet jeśli nie jest możliwe genetyczne inżynieryjne podkładów słonecznikowych do edycji genów, powinno być możliwe zinżynierowany związek roślin, który stanowi kompatybilny podkład.
Gdy już będzie podkład produkujący niezbędne RNA, można go użyć do edycji genów szerokiej gamy roślin. „Można wykorzystać korzenie do dostarczenia Cas9 i przewodniki do wszystkich rodzajów elitarnych odmian” – mówi Julian Hibberd z Uniwersytetu w Cambridge.
„Stworzenie transgenicznych podkładów nie jest dużym wysiłkiem, ponieważ wystarczy go wykonać tylko raz, a następnie można go używać przez wiele lat i dla wielu gatunków” – mówi Ralph Bock, który również jest w Instytucie Maxa Plancka, ale nie jest częścią zespołu Kraglera.
Jako przykład, tylko kilka odmian winogron, takich jak Chardonnay, może regenerować się z pojedynczych komórek i mogą zatem być modyfikowane. Ale gdy raz utworzony zostanie podkład edycji genów Chardonnay, który np. zapewnia odporność na choroby, zadziałałby dla wszystkich odmian winogron i innych.
Rogo również wyobraża sobie połączenie szczepienia z wirusowym podejściem. Podkłady mogą być używane do dostarczania dużych mRNA dla Cas9, podczas gdy wirusy dostarczają przewodniki RNA. W ten sposób, ten sam podkład może być używany do dokonywania wielu różnych edycji genów – mówi.
