Ученые из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка разработали технологию защиты растений от насекомых. Она основана на синтезе в пластидах рибонуклеиновой кислоты, выключающей работу жизненно важных генов паразитов.
РНК-интерференция — это механизм уничтожения чужеродной двуцепочечной РНК, имеющийся у всех ядерных организмов (растений, животных, грибов). Происхождение РНК-интерференции связано с противовирусной защитой — поскольку в норме в клетке двуцепочечная РНК не синтезируется, то ее наличие говорит о заражении вирусом. Такая «потенциально вирусная» РНК с помощью специальных белков нарезается на мелкие фрагменты (siRNA), которые затем используются для поиска совпадающих матричных РНК — клетка таким образом пытается уничтожить следы вируса. Если последовательность siRNA точно совпадет с одним из собственных генов клетки, ее мРНК все равно будет уничтожена. Если же этот ген относится к числу жизненно важных, то и сама клетка погибнет.
Авторы новой работы решили использовать эту систему для борьбы с насекомыми. Для этого они заставили клетки растений вырабатывать двуцепочечную РНК, соответствующую по последовательности одному из генов насекомых — гену белка цитоскелета бета-тубулина. Такой подход ученые уже пытались использовать раньше, однако концентрация дцРНК в клетках была очень низкой из-за работы тех самых белков, которые должны были нарезать ее на siRNA. В результате скорость роста насекомых, которые питались ГМ-растениями, лишь немного снижалась. Авторы новой работы решили обойти эту сложность, введя ДНК-конструкцию, на которой синтезируется двуцепочечная РНК, не в ядерный геном, а в геном хлоропластов растений.
Подобно митохондриям, хлоропласты (пластиды вообще) являются потомками бактерий, захваченных эукариотическими клетками миллиарды лет назад. Как и у всех бактерий, у них не работает система РНК-интерференции: вместо нее борьбу с вирусами осуществляет недавно открытая система CRISPR. Именно это позволяет накапливать в пластидах огромные запасы нужной дцРНК — по словам авторов, ее количество достигает 0,4 процента от всей (в том числе и рибосомальной) клеточной РНК. Кроме того, пластидные гены не переносятся с пыльцой, что делает их существенно более привлекательными с точки зрения экологической безопасности. Такие растения называются транспластомными.
Предложенная авторами технология оказалась очень эффективна: 100 процентов личинок колорадских жуков, которым давали листья ГМ-картофеля, умирали в течение пяти дней. Ученые надеются, что новая технология избавит от необходимости обрабатывать растения пестицидами, которые не только небезопасны, но и становятся все менее эффективными из-за того, что насекомые вырабатывают к ним устойчивость.
Описание технологии опубликовано в журнале Science.