Biomics

Одним из эффективных подходов для улучшения питательной ценности зерна сорго является получение мутантов с частично или полностью блокированным синтезом или измененным аминокислотным составом запасных белков – кафиринов. Использование метода геномного редактирования позволяет решить эту проблему путем внесения мутаций в нуклеотидные последовательности генов α- и γ-кафиринов (k1C5 и gKAF1). Другим важным направлением в генетике и селекции сельскохозяйственных растений является разработка и использование технологий апомиксиса для фиксации гетерозиса у гибридов F₁. Ген DYAD арабидопсиса и его гомолог AMEIOTIC 1 - это потенциальные гены-кандидаты апомиксиса, вовлеченные в нормальное протекание мейоза, индукция мутаций в которых является одним из путей для решения данной проблемы. В ходе исследований осуществлен подбор геномных мишеней (последовательности 20 п.н.) для введения мутаций в гены α- и γ-кафиринов сорго и гена AMEIOTIC 1 посредством технологии геномного редактирования CRISPR/Cas. Дизайн гидовых РНК выполнен с использованием биоинформатических программ CRISPROR и CHOPCHOP. Клонирование мишеней α- и γ-кафиринов сорго и AMEIOTIC 1 в вектор pBAtC осуществляли по сайтам AarI. Валидацию успешности клонирования мишеней выполняли секвенированием ДНК. Генно-инженерные конструкции были перенесены посредством электропорации в агробактериальный штамм AGL0. В настоящее время созданные вектора используются для агробактериальной трансформации растений сорго.

CRISPR, геномное редактирование, α-кафирин, γ-кафирин, AMEIOTIC 1, вектор pBAtC, секвенирование ДНК, сорго

1. Геращенков Г.А, Рожнова Н.А, Кулуев Б.Р., Кирьянова О.Ю., Гумерова Г.Р., Князев А.В., Вершинина З.Р., Михайлова Е.В., Чемерис Д.А., Матниязов Р.Т., Баймиев Ан.Х., Губайдуллин И.М., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. Дизайн РНКгидов для CRISPR/CAS редактирования геномов растений // Молекулярная биология. 2020. Т.54(1). С. 29-50. DOI: 10.1134/S0026898420010061
2. Кулуев Б.Р., Гумерова Г.Р., Михайлова Е.В., Геращенков Г.А., Рожнова Н.А., Вершинина З.Р., Князев А.В., Матниязов Р.Т., Баймиев Ан.Х., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. Доставка CRISPR/Cas-компонентов в клетки высших растений для редактирования их геномов // Физиология растений. Т.66, № 5. С. 339-353. doi: 10.1134/S0015330319050117
3. Кулуев Б.Р., Кирьянова О.Ю., Геращенков Г.А., Рожнова Н.А., Гумерова Г.Р., Вершинина З.Р., Матниязов Р.Т., Ахметзянова Л.У., Князев А.В., Михайлова Е.В., Гарафутдинов Р.Р., Баймиев Ан.Х., Губайдуллин И.М., Баймиев Ал.Х., Чемерис А.В. Некоторые новшества в CRISPR/Cas геномном редактировании и в смежных областях // Биомика. 2019б. Т.11(3). С. 315-343. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-27
4. Рожнова Н.А., Геращенков Г.А., Чемерис А.В. Создание экспрессионного вектора для геномного редактирования гена EDS1 // Биомика. Т.11(4). С. 422-429. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-35
5. Чемерис Д.А., Кирьянова О.Ю., Геращенков Г.А., Кулуев Б.Р., Рожнова Н.А., Матниязов Р.Т., Баймиев Ан.Х., Баймиев Ал.Х., Губайдуллин И.М., Чемерис А.В. Биоинформатические ресурсы для CRISPR/Cas редактирования геномов // Биомика. 2017. Т.9(3). С. 202-226.
6. Эльконин Л.А., Итальянская Ю.В., Доманина И.В., Селиванов Н.Ю., Ракитин А.Л., Равин Н.В. Трансгенное сорго с улучшенной перевариваемостью запасных белков, полученное путем агробактериальной трансформации // Физиология растений. Т.63. №5. С.721-734. DOI: 10.7868/S0015330316050043
7. Эльконин Л.А., Панин В.М., Кенжегулов О.А., Геращенков Г.А. Улучшение питательных свойств зернового сорго на основе методов современной генетики и биотехнологии. Биотехнология и селекция растений // Т.2(3). С.41-48. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-3-o6
8. Bean S.R., Ioerger B.P., Wilson J.D. et al. (2018) Structure and chemistry of sorghum grain // In: W Rooney (ed.). Achieving sustainable cultivation of sorghum. Vol. 2: Sorghum utilization around the world. Cambridge, UK: Burleigh Dodds Science Publishing. p. 1-27.
9. Belton PS, Delgadillo I, Halford NG, Shewry PR (2006) Kafirin structure and functionality. Cereal Sci. 44: 272–286. DOI: 10.1016/j.jcs.2006.05.004
10. da Silva L.S., Taylor J., Taylor J.R. (2011) Transgenic sorghum with altered kafirin synthesis: kafirin solubility, polymerization, and protein digestion // Agric. Food Chem. 59: 9265–9270. DOI: 10.1021/jf201878p
11. da Silva L.S., Jung R., Zhao Z., Glassman K., Taylor J., Taylor J.R.N. (2011a). Effect of suppressing the synthesis of different kafirin subclasses on grain endosperm texture, protein body structure and protein nutritional quality in improved sorghum lines // J. Cereal Sci. V. 54. P. 160–167. doi: 10.1016/j.jcs.2011.04.009
12. Green, M. and Sambrook, J. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 4th Edition, 2012. V. II, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York.
13. Henley E.C., Taylor J.R.N., Obukosia S.D. (2010) The Importance of Dietary Protein in Human Health: Combating Protein Deficiency in Sub-Saharan Africa through Transgenic Biofortified Sorghum // In: SL Taylor (ed.) Advances in Food and Nutrition Research. Burlington, USA: Academic Press, 60: 21–52. DOI: 10.1016/S1043-4526(10)60002-2
14. Kim H, Kim ST, Ryu J, Choi MK, Kweon J, Kang BC, Ahn HM, Bae S, Kim JS, Kim SG. A simple, flexible and high-throughput cloning system for plant genome editing via CRISPR-Cas system // J Integr Plant Biol. 2016. V.58(8). P.705-712. doi: 10.1111/jipb.12474. 10.1111/jipb.12474
15. Kim, J., Kim, J. New era of precision plant breeding using genome editing // Plant Biotechnol. Rep. V.13, 419–421 (2019). doi: 10.1007/s11816-019-00581-w
16. Koeppel I., Hertig C., Hoffie R., Kumlehn J. Cas endonuclease technology - a quantum leap in the advancement of barley and wheat genetic engineering // International Journal of Molecular Sciences 2019, 20: 2647. DOI: 10.3390/ijms20112647
17. Kumar T, Dweikat I, Sato S., Ge Z., Nersesian N., Chen H., Elthon T., Bean S., Ioerger B.P., Tilley M. Modulation of kernel storage proteins in grain sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) // Plant Biotechnol. J. V.10: 533–544. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2012.00685.x
18. Li A., Jia S., Yobi A., Ge Z., Sato S.J., Zhang C., Angelovici R., Clemente T.E., Holding D.R. Editing of an alpha-kafirin gene family increases digestibility and protein quality in sorghum // Plant Physiol. V.177(4). P. 1425-1438. DOI: 10.1104/pp.18.00200
19. Nan G.-L., Ronceret A., Wang R.C. , Fernandes J. F., Cande W.Z., Walbot V. Global transcriptome analysis of two ameiotic1 alleles in maize anthers: defining steps in meiotic entry and progression through prophase I // BMC Plant Biol. 2011. 11: 120. doi: 10.1186/1471-2229-11-120
20. Pawlowski W.P., Wang C.-J. R., Golubovskaya I.N., Szymaniak J.M., Shi L., Hamant O., Zhu T., Harper L., Sheridan W.F., Cande W.Z. Maize AMEIOTIC1 is essential for multiple early meiotic processes and likely required for the initiation of meiosis // Proc Natl Acad Sci USA. 2009. V.106(9). P.3603-3608. doi: 10.1073/pnas.0810115106
21. Tilman, D., Balzer, C., Hill, J. & Befort, B. L. Global food demand and the sustainable intensification of agriculture // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2011. V.108. P. 20260–20264. doi: 10.1073/pnas.1116437108
22. Wu Y., Yuan L., Guo X., Messing J. Mutation in the seed storage protein kafirin creates a high-value food trait in sorghum // Nature Commun. V. 4. P. 2217 DOI: 10.1038/ncomms3217
23. Zhu H., Li C. & Gao C. Applications of CRISPR–Cas in agriculture and plant biotechnology // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. (2020). doi: 10.1038/s41580-020-00288-9
24. Zhang Y., Massel K., Godwin I.D., Gao C. Applications and potential of genome editing in crop improvement // Genome Biology. 2018. V.19: 210. doi: 10.1186/s13059-018-1586-y