РНК-интерференция в защите растений

ехнология РНК-интерференции используется для подавления экспрессии генов как способ ее снижения или прекращения в отдельных генах. РНК-интерференция ‑ это естественный процесс с важными защитными и регуляторными функциями у животных, растений и грибов.

Аналитики британского журнала Agrow подготовили обзор технологии РНК-интерференции и ее использования при разработке новых продуктов для улучшения сортов сельхозкультур, защиты растений и других целей борьбы с фитопатогенными организмами.

На сегодняшний день РНК-интерференция используется в генномодифицированных (ГМ) культурах или в качестве инструмента для выведения улучшенных сортов сельхозкультур. Применяется она и для выявления новых перспективных механизмов действия пестицидов. В будущем могут быть разработаны распыляемые продукты для применения на посевах сельхозкультур.

РНК-интерференция активируется, когда молекулы РНК встречаются в виде двухцепочечных пар в клетке. Матричная РНК (мРНК), которая несет информацию об аминокислотной последовательности белков, обычно бывает одноцепочечной. Двухцепочечная РНК (dsRNA) активирует биохимический механизм, который разрушает молекулы мРНК, несущие генетический код, гомологичный с двухцепочечной РНК. Когда такие молекулы мРНК «интерферируют» и деградируют, соответствующий ген замолкает и кодируемый им белок не синтезируется.

Контроль насекомых

РНК-интерференция используется в качестве исследовательского инструмента в энтомологии, а также как средство защиты растений в борьбе с вредителями. Применение этой методики практикуется с помощью ГМ-сортов культур либо путем прямого применения. Основным драйвером ее развития выступает острая необходимость борьбы с устойчивостью вредителей к инсектицидам.

Факторы, особенно влияющие на эффективность и привлекательность технологии РНК-интерференции в качестве метода борьбы с насекомыми, включают структуру, длину и дозы dsRNA, стабильность их эффективного воздействия, целевые виды и гены, стадии развития насекомых, потенциал нецелевого воздействия.

Жуки из отряда жесткокрылых, такие как западный кукурузный жук (Diabrotica virgifera virgifera) и колорадский жук (Leptinotarsa decemlineata), оказались очень перспективными объектами для воздействия с помощью РНК-интерференции. Высокая чувствительность личинок кукурузного жука к РНК-интерференции и заметный экономический эффект от применения этого метода борьбы с ним означали, что коммерческая направленность в развитии технологии в значительной степени формировалась именно из расчета на борьбу с этим вредителем.

Компании Dow AgroSciences и Monsanto включили технологию РНК-интерференции в число мер защиты от формирования устойчивости к токсину Bt у вредителей кукурузы сорта SmartStax Pro (MON87411), который планируется вывести на рынок в 2018-2020 гг.

У бабочек из отряда чешуекрылых (Lepidoptera Linnaeus) с замолканием генов возникают проблемы, ответ на РНК-интерференцию у них ограничен и неустойчив и для проявления эффекта необходимо использовать высокие дозы двухцепочечной РНК. Тем не менее личинки азиатского кукурузного мотылька (Ostrinia furnacalis) контролируются путем распыления рабочих растворов dsRNA наружного воздействия, которые не попадают в кишечник насекомых, а проникают или абсорбируются через их внешнюю оболочку – кутикулу.

C насекомыми из отряда двукрылых (Diptera) было проведено несколько исследований. Они показали успех при оральном применении растворов двухцепочечной РНК. Доставка через пищеварительный тракт изучена также у комаров и мухи цеце.

Относительно отряда полужесткокрылых (Hemiptera) – колюще-сосущих насекомых, таких как тли, белокрылка и слепняки, отмечено, что использование методики РНК-интерференции не всегда приводит к успешным результатам. Деградация dsRNA внутри целевых насекомых и интерференция РНК с участием вирусов легли в основу гипотезы об изменчивости реакций видов из этого отряда.

Механизм воздействия РНК-интерференции успешно продемонстрировал подавление генов в галловых, цистообразующих и других паразитических нематодах растений. Эффект проявлялся в виде фенотипических изменений, таких как снижение плодовитости паразитарных организмов, ингибирование подвижности, снижение способности находить организм растения-хозяина и потеря способности проникать и воспроизводиться в корнях растений. Особый интерес представляет применение технологии РНК-интерференции для защиты посевов сои и картофеля. Компании BASF, Monsanto и Syngenta активно участвуют в исследованиях и разработках, связанных с использованием методики РНК-интерференции в борьбе с нематодами.

Выявлены и другие вредители сельхозрастений и человека, для контроля которых перспективно использовать технологии РНК-интерференции, – это пожарные муравьи, клещи, паутинные клещи и термиты.

Многообещающие результаты показало применение этой технологии против саранчи, которая, как оказалось, обладает очень чувствительной реакцией на воздействие РНК-интерференции. Однако к гибели насекомых приводили только инъекции dsRNA.

Сферы применения

Технология РНК-интерференции используется для борьбы с вирусами и подавления экспрессии генов у широкого диапазона патогенов, в том числе: пирикуляриоза риса, яблочной парши, серой гнили и фитофтороза картофеля. Исследования ведутся и в отношении векторов вирусов, вызывающих болезни.

Грибные патогены родов Aspergillus, Fusarium и Penicillium, которые производят микотоксины, также стали предметом исследований.

В 2016 г. были опубликованы результаты использования технологии РНК-интерференции путем распыления раствора dsRNA для контроля фузариоза на ячмене. Они проводились в сотрудничестве концерна BASF с исследовательскими организациями в Германии. Эти организации основное внимание уделяли воздействию механизмов РНК-интерференции при борьбе с болезнями сельхозкультур. В их число вошла Forrest Innovations, которая занималась контролем векторов, вызывающих позеленение цитрусовых насаждений, и компания Venganza, которая сосредоточилась на методах защиты от азиатской ржавчины сои и стеблевой ржавчины пшеницы.

В настоящее время рассматривается все возрастающее число патентных заявок, предусматривающих использование технологии РНК-интерференции для борьбы с болезнями растений.

Одним из новых стимулов коммерческого интереса к использованию технологий РНК-интерференции в приемах защиты сельхозкультур стала возможность предотвращения развития устойчивости сорняков к гербицидам, особенно к глифосату. В этой области достигнуты некоторые успехи, однако применение этого метода для широкой коммерческой практики кажется пока сомнительным.

Несколько исследовательских проектов изучали потенциал технологии РНК-интерференции для борьбы с сорняками-паразитами.

Основным направлением применения технологии РНК-интерференции стало создание сортов и гибридов сельхозкультур с повышенными показателями урожайности и качества. Среди превосходных свойств, которые уже выведены на рынок, – улучшенный состав масла (высокое содержание олеиновой кислоты), снижение содержания лигнина (способствует лучшей усвояемости корма скотом), устранение потемнения мякоти при разрезании яблок и картофеля и снижение потенциала накопления акриламида при обжаривании картофеля.

Увеличение продуктивности сельхозкультур с применением технологий РНК-интерференции для «выключения» генов, участвующих в реакции растений на абиотический стресс (например, на засуху) стало направлением для многих исследований.

Формуляции

Анализируя прогресс, достигнутый в разработке активных ингредиентов, используемых в технологии РНК-интерференции для опрыскивания посевов, можно сказать, что ученые работают над увеличением количества активного вещества, достигающего конечной цели в клетках растений и / или насекомых, патогенов или других вредных организмов. Исследуемые вопросы включают изучение трудностей проникновения препаратов в организмы вредителей и их стабильность в экологическом отношении.

В терапии человека стратегии успешной доставки РНК в клетку включают разработку химической модификации, способной противостоять деградации молекул РНК, а также липидную инкапсуляцию и конъюгацию с полимерами.

В области защиты сельхозкультур были использованы аналогичные стратегии с некоторыми конкретными примерами, включая липосомы, хитин-комплексы, двухцепочечную РНК, заключенную в бактериях или микроводорослях, глинистые наночастицы и органосиликоновые поверхностно-активные вещества.

Среди крупнейших компаний в секторе разработки средств защиты растений с использованием РНК-интерференции особенно активна Monsanto. В части разработки формуляций и способов доставки активных ингредиентов РНК в клетки путем опрыскивания она сотрудничает с компаниями по производству биофармацевтических препаратов и специализированными биотехнологическими компаниями, среди которых Alnylam Pharmaceuticals, Arbutus Biopharma и PhaseRx. Все они добились обнадеживающих успехов в этом направлении.

Preceres – американская компания, специализирующаяся на разработке новых методов применения биопестицидов на основе методики РНК-интерференции, созданных при поддержке Monsanto в 2014 г. Preceres интересна недавно представленной в США патентной заявкой, предложившей гидразинильные липидоидные наночастицы в качестве агентов доставки ингредиентов РНК-интерференции для использования их как гербицидов, инсектицидов или фунгицидов.

Компании

Концерн BASF разработал сорт картофеля Amflora GM с модифицированной крахмальной композицией, содержащей только амилопектин, для промышленного использования. Однако после одобрения этого сорта для выращивания в Европе Европейский суд ЕС постановил, что в процессе его разработки имели место процедурные ошибки. Это постановление означало аннулирование ранее принятого положительного решения. BASF постановил не использовать картофель Amflora в Европе или в других регионах из-за противодействия применению технологий генной модификации.

BASF опубликовал информацию об использовании средств защиты распыляемого типа, разработанных на основе технологии РНК-интерференции, для контроля фузариоза на ячмене. Известны и другие патентные заявки концерна BASF на аналогичные средства борьбы с болезнями растений. К настоящему времени концерн уже запатентовал некоторые изобретения в области средств борьбы с нематодами, использующие механизм РНК-интерференции.

Bayer CropScience и Monsanto, находящиеся в процессе слияния, сотрудничают в области научных исследований по РНК-интерференции с 2007 г. Bayer участвует в ряде других совместных проектов с биотехнологическими компаниями и научными учреждениями, которые изучают вопросы РНК-интерференции, в частности с австралийским государственным объединением научных и прикладных исследований CSIRO и компанией Performance Plants.

Bayer CropScience имеет портфель патентных заявок, содержащих технологии применения РНК-интерференции, связанные с контролем болезней и насекомых-вредителей, повышением урожайности сельхозкультур и упаковкой и доставкой активных ингредиентов РНК в клетки.

Компания Dow AgroSciences, объединяющаяся с DuPont, продолжает поддерживать долгосрочное сотрудничество с Monsanto в работе над ГМ-семенами кукурузы, устойчивыми к вредителям и гербицидам, под брендом SmartStax. В частности, сорт кукурузы SmartStax Pro, при создании которого использованы технологии РНК-интерференции для предупреждения выработки устойчивости к Bt-токсину у вредителей, выйдет на рынок в 2018–2020 гг.

Dow AgroSciences подала довольно большое количество патентных заявок, связанных с РНК-интерференцией, и большая их часть касалась средств борьбы с насекомыми. В процессе экспериментальных исследований компания сотрудничала с Университетом Небраски (США) и с Институтом молекулярной биологии и прикладной экологии Фраунгофера (Германия).

Компания DuPont, объединяющаяся с Dow, продает сою Plenish с высоким содержанием олеиновой кислоты, в которой была изменена экспрессия генов, контролирующих биосинтез жирных кислот. Ее подразделение, DuPont Pioneer, ранее приобрело у научно-исследовательской компании Performance Plants лицензию на использование засухоустойчивых культур, полученных с использованием технологии РНК-интерференции.

Monsanto, объединяющаяся с Bayer, в течение последних 25 лет регулярно представляла на рынке сорта и гибриды, которые по современным представлениям были созданы с использованием технологий РНК-интерференции, включая более сладкие томаты и устойчивые к вирусам сорта тыквы и картофеля.

Monsanto глубоко изучает как пути создания ГМ-культур, основанных на технологии РНК-интерференции, так и методики распыления РНК и применения соответствующих препаратов. В частности, сорт HarvXtra Alfalfa характеризуется пониженным содержанием лигнина, что должно способствовать лучшей усваиваемости животными. Интересна также линейка продуктов BioDirect. Под этим брендом объединены распыляемые препараты, основанные на методологии РНК-интерференции. Эти продукты еще вернутся в научно-исследовательские центры для продолжения исследований, но совместные усилия ученых в дальнейшем будут уже направлены на разработку и выведение на рынок новых активных ингредиентов технологии РНК-интерференции.

Syngenta приобрела в 2013 г. бельгийскую биотехнологическую компанию Devgen. Эта компания была пионером исследований по использованию технологии РНК-интерференции в области растениеводства и защиты растений, особенно в сфере борьбы с нематодами. Заявки на патенты компании Syngenta, связанные с РНК-интерференцией, содержат информацию о высоком уровне эффективности контроля насекомых и нематод, а также решения для смягчения абиотического стресса у растений.

Институты

Исследовательскую работу по применению технологии РНК-интерференции в растениеводстве и защите растений ведут также многие геномные и биотехнологические компании. В их число входят: Evogen, Forage Genetics, Forrest Innovations, Iden Biotechnology, Okanagan Specialty Fruits, Performance Plants Incorporated и Venganza. Многие из этих компаний сотрудничают с одной или несколькими крупными пестицидными компаниями. Например, Nemgenix – биотехнологическая компания, специализирующаяся на использовании технологии РНК-интерференции для борьбы с нематодами и тлями. J R Simplot – американская компания по производству сельхозпродукции и продуктов питания, которая также принимает участие в исследованиях технологии РНК-интерференции.

Среди биофармацевтических компаний, главным образом занятых в разработке методов лечения заболеваний человека, есть также те, которые сотрудничают с агрохимическими гигантами, ориентированными на применение средств защиты, разработанных с применением РНК-интерференции, – это Alnylam, Arbutus Biopharma (ранее Tekmira) и PhaseRX.

В число университетов и научно-исследовательских организаций, имеющих опыт работы с РНК-интерференцией применительно к защите растений, а также обладающих значительным опытом сотрудничества с агрохимическими компаниями, входят университеты Кембриджа (Великобритания), Гента (Бельгия) и Небраски (США), а также объединение CSIRO (Австралия). Их число дополняет Институт молекулярной биологии и прикладной экологии Фраунгофера (Германия).

Инфоиндустрия по материалам www.agroxxi.ru

Читайте нас у Telegram