Несмотря на то, что широкомасштабные полевые испытания должны будут предшествовать широкому применению нового метода в сельскохозяйственных условиях по всему миру, результаты исследования, опубликованные в Science Advances, показали, что трансгенные растения кукурузы, инфицированные грибком, подавляли уровни токсинов ниже определяемых пределов.Культуры во всем мире восприимчивы к заражению грибами различных видов Aspergillus, грибком, который продуцирует вторичные метаболиты, известные как афлатоксины. Эти соединения вызывают задержку роста детей, повышают риск рака печени и делают людей более восприимчивыми к таким заболеваниям, как ВИЧ и малярия.
В отличие от США, где сельскохозяйственные культуры, предназначенные для употребления в пищу, проверяются на афлатоксин и сжигаются, когда их уровень приближается к 20 частям на миллиард (что эквивалентно одной капле воды в бассейне объемом 22 000 галлонов), во многих развивающихся частях мира тестирование не проводится. , особенно в Африке, где миллионы людей зависят от того, что они собирают. Там были измерены уровни токсинов до 100 000 частей на миллиард, говорит руководитель исследования Моника Шмидт, доцент Школы наук о растениях в UA и член института BIO5 в UA.
«Афлатоксин — один из самых сильных токсинов на планете», — сказал Шмидт. «Обычно это не убивает человека сразу, но может сильно заболеть».Финансируемая Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Шмидт и ее команда решили изучить, можно ли использовать естественный биологический механизм, называемый интерференцией РНК, в качестве оружия против токсина Aspergillus. Этот подход, получивший название «генное молчание, индуцированное хозяином», или HIGS, основан на предыдущей работе других исследователей, которые обнаружили, что во время инфекционного процесса растение-хозяин и гриб обмениваются небольшими молекулами нуклеиновых кислот.
«Когда я прочитал об этом в литературе, я подумал:« Почему мы не можем сделать троянского коня, чтобы отключить этот токсин? », — сказал Шмидт, который работал над этим проектом в течение многих лет. «Мы ввели в кукурузу сконструированную конструкцию ДНК, которая передает РНК в гриб, когда он заражает кукурузу».Модифицированные растения кукурузы несут в себе генетический план малых молекул РНК, каждая длиной всего около 20 пар оснований, только в съедобных зернах, а не во всем растении.«Кукуруза постоянно производит эту РНК на протяжении всего развития ядра», — объяснил Шмидт. «Когда ядра вступают в контакт с грибком, РНК переходит в гриб».Оказавшись внутри грибковых клеток, молекулы РНК в форме шпильки соединяются с соответствующими целевыми последовательностями собственной РНК гриба, которые кодируют фермент, необходимый для выработки токсина, в процессе, называемом РНК-интерференцией.
Это приводит к прекращению выработки токсинов, но никаким другим образом не влияет на грибок, который продолжает расти и жить на кукурузе, хотя и безвредно.Подход HIGS имеет явное преимущество перед существующими усилиями по предотвращению попадания афлатоксина в пищевую цепочку человека, поскольку он предотвращает выработку токсина грибком в первую очередь во время выращивания сельскохозяйственных культур в поле, в отличие от защиты сельскохозяйственных культур только после того, как они были обработаны. были собраны и сохранены.
Такие подходы включают в себя вентиляторы на солнечных батареях, которые всасывают воздух из складских помещений, или запечатывают урожай в огромных мешках для хранения, создавая безвоздушные условия, чтобы грибок не мог расти.Другая стратегия, впервые разработанная соавтором исследования Питером Котти, патологом-исследователем из Министерства сельского хозяйства США и Школы наук о растениях Университета штата Калифорния, заключалась в исследовании опрыскивания сельскохозяйственных культур штаммами Aspergillus, которые не продуцируют афлатоксин, тем самым предотвращая их патогенное происхождение. от закрепления на растениях.
По словам Шмидта, другие исследователи пытались вывести разновидности кукурузы, которые экспрессируют противогрибковые белки, но, поскольку изначально известно не о многих противогрибковых белках, эти усилия имели ограниченный успех.Шмидт объяснил, что HIGS имеет большие перспективы, потому что он очень специфичен и целенаправлен по своему действию, и потенциально может быть применен и к другим культурам.В своих экспериментах команда заразила растения кукурузы Aspergillus и позволила им расти в течение одного месяца. В то время как было обнаружено, что необработанные контрольные растения содержат уровни токсина от 1000 до 10 000 на миллиард, уровни токсина в трансгенных растениях не обнаруживаются.
«Предел обнаружения не равен нулю, но достаточно низок, чтобы кукурузу можно было безопасно есть», — сказал Шмидт.Команда пошла дальше проекта и исследовала общую экспрессию генов в зернах, чтобы увидеть, имеют ли трансгенные растения кукурузы нежелательные побочные эффекты. Для этого была задействована лаборатория соавтора Рода Уинга, также входящего в Школу наук о растениях UA, для сравнения тысяч транскриптов РНК между нетрансгенными контрольными ядрами и трансгенными ядрами.
По словам Шмидта, команда не обнаружила ни одной значимой разницы в плане дифференциальной экспрессии генов между трансгенными и нетрансгенными ядрами.«Это растение кукурузы будет похоже на любое другое», — сказала она. «Единственная особенность, которая отличает его от других, — это его способность останавливать производство токсинов.
Никаких других эффектов он не должен иметь, но, очевидно, потребуется множество последующих испытаний, прежде чем его можно будет выращивать на полях».Шмидт и ее команда выбрали журнал с открытым доступом Science Advances, потому что «мы хотим, чтобы любой, у кого есть подключение к Интернету, имел доступ к нашим результатам, особенно в Африке, где афлатоксин представляет собой серьезную проблему для продовольственной безопасности».