Применение системы CRISPR/Cas для редактирования генов декоративных культур

Декоративные растения широко распространены и пользуются популярностью во всем мире. Для некоторых стран цветоводство имеет весомое экономическое значение. В России также имеются благоприятные перспективы для развития промышленного цветоводства. Поспособствовать этому может прорывной метод редактирования генов хозяйственно-ценных признаков растений CRISPR/Cas, который, таким образом, позволяет вывести растения за пределы потенциальной внутривидовой изменчивости и решить вопрос получения нетрансгенных модифицированных растений. В данной статье проведен анализ современного состояния селекции декоративных культур с помощью метода генетического редактирования CRISPR/Cas. Статьи были отобраны из базы данных Scopus. В результате поиска публикаций, посвященных 50 наиболее распространенным декоративным культурам, найдено 26 статей, посвященных генетическому редактированию с помощью системы CRISPR/Cas. Восемь из них посвящены редактированию генома петунии, по три публикации выявлено для фаленопсиса и ипомеи, по две – для дендробиума, горечавки, лилии, торении, и по одной – для хризантемы, каланхое, пуансеттии, табака обыкновенного. Отобранные статьи были разделены на три группы. В первую группу вошли работы, в которых проведены исследования по изучению механизмов регуляции генов полезных признаков, а также оптимизации метода CRISPR/Cas применительно к конкретной культуре. Во вторую группу были отнесены работы, направленные на изменение окраски цветков и листьев. К третьей группе были отнесены работы по увеличению продолжительности жизни цветка и получению растений с махровыми цветками. В обзоре представлены работы по оптимизации генетического редактирования генов у представителей семейства орхидные Orchidaceae Juss. Также отмечена перспективность применения генетического редактирования с помощью системы CRISPR/Cas, что может ускорить качественные преобразования геномов и повысить эффективность селекции, что особенно важно в современных условиях.

1. Gattolin S., Cirilli M., Chessa S., Stella A., Bassi D., Rossini L. Mutations in orthologous PETALOSA TOE-type genes cause a dominant double-flower phenotype in phylogenetically distant eudicots. Journal of Experimental Botany. 2020;71(9):2585-2595. DOI: 10.1093/jxb/eraa032

2. Heler R., Samai P., Modell J.W., Weiner C., Goldberg G.W., Bikard D., Marraffini L.A. Cas9 specifies functional viral targets during CRISPR-Cas adaptation. Nature. 2015;519(7542):199-202. DOI: 10.1038/nature14245

3. Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., Hauer M., Doudna J.A., Charpentier E.A Programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science. 2012;337(6096):816-821. DOI: 10.1126/science.1225829

4. Хлесткина Е.К., Шумный В.К. Перспективы использования прорывных технологий в селекции: система CRISPR/Cas9 для редактирования генома растений. Генетика. 2016;52(7):774-787. DOI: 10.7868/S0016675816070055

5. Kishi-Kaboshi M., Aida R., Sasaki K. Generation of gene-edited chrysanthemum morifolium using multicopy transgenes as targets and markers. Plant Cell Physiology. 2017;58(2):216-226. DOI: 10.1093/pcp/pcw222

6. Kui L., Chen H., Zhang W., He S., Xiong Z., Zhang Y., Yan L., Zhong C., He F., Chen J., Zeng P., Zhang G., Yang S., Dong Y., Wang W., Cai J. Building a genetic manipulation tool box for orchid biology: identification of constitutive promoters and application of CRISPR/Cas9 in the orchid, Dendrobium officinale. Frontiers in Plant Science. 2017;7:2036. DOI: 10.3389/fpls.2016.02036

7. 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. 2019;11(3):315-343. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-27

8. Lin Y., Jones M.L. CRISPR/ Cas9-mediated editing of autophagy gene 6 in Petunia decreases flower longevity, seed yield, and phosphorus remobilization by accelerating ethylene production and senescence-related gene expression. Frontiers in Plant Science. 2022;13:840218. DOI: 10.3389/fpls.2022.840218

9. Liu D., Chen M., Mendoza B., Cheng H., Hu R., Li L., Trinh C.T., Tuskan G.A., Yang X. CRISPR/Cas9-mediated targeted mutagenesis for functional genomics research of crassulacean acid metabolism plants. Journal of Experimental Botany. 2019;70(22):6621-6629. DOI: 10.1093/jxb/erz415

10. Nishihara M., Higuchi A., Watanabe A., Tasaki K. Application of the CRISPR/Cas9 system for modification of flower color in Torenia fournieri. BMC Plant Biology. 2018;18:331. DOI 10.1186/s12870-018-1539-3

11. Nitarska D., Boehm R., Debener T., Lucaciu R.C., Halbwirth H. First genome edited poinsettias: targeted mutagenesis of flavonoid 3′-hydroxylase using CRISPR/Cas9 results in a colour shift. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC). 2021;147:49-60. DOI: 10.1007/s11240-021-02103-5

12. Nopitasari S., Setiawati Y., Lawrie M.D., Purwantoro A., Widada J., Sasongko A.B., Yoshioka Y., Matsumoto S., Ninomiya K., Asano Y., Semiarti E. Development of an agrobacterium-delivered CRISPR/Cas9 for Phalaenopsis amabilis (L.) Blume genome editing system. The 6th International Conference on Biological Science ICBS. AIP Publishing. 2020;2260:060014-1–060014-10. DOI: 10.1063/5.0015868

13. Рахмангулов Р.С., Тихонова Н.Г. Селекция декоративных растений в России. Биотехнология и селекция растений. 2021;4(4):40-54. DOI: 10.30901/2658-6266-2021-4-o4

14. Sasaki K., Ohtsubo N. Production of multi-petaled Torenia fournieri flowers by functional disruption of two class-C MADS-box genes. Planta. 2020;251:101. DOI: 10.1007/s00425-020-03393-3

15. Scopus, Elsevier's abstract and citation database. URL: https://www.scopus.com/search/form.uri?zone=TopNavBar&origin=sbrowse&display=basic#basic [дата обращения 05.07.2022]

16. Semiarti E., Nopitasari S., Setiawati Y., Lawrie M.D., Purwantoro A., Widada J., Ninomiya K., Asano Y., Matsumoto S., Yoshioka Y. Application of CRISPR/Cas9 genome editing system for molecular breeding of orchids. Indonesian Journal of Biotechnology. 2020;25(1):61-68. DOI: 10.22146/ijbiotech.39485

17. Setiawati Y., Nopitasari S., Lawrie M.D., Purwantoro A., Widada J., Sasongko A.B., Ninomiya K., Asano Y., Matsumoto S., Yoshioka Y., Semiarti E. Agrobacterium-mediated transformation facilitates the CRISPR/Cas9 genome editing system in Dendrobium macrophyllum A. Rich. Orchid. The 6th International Conference on Biological Science ICBS. AIP Publishng. 2020;2260:060016-1–060016-9. DOI: 10.1063/5.0016200

18. Shibuya K., Watanabe K., Ono M. CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of the EPHEMERAL1 locus that regulates petal senescence in Japanese morning glory. Plant Physiology and Biochemistry. 2018;131:53-57. DOI: 10.1016/j.plaphy.2018.04.036

19. Song S., Yan R., Wang C., Wang J., Sun H. Improvement of a genetic transformation system and preliminary study on the function of LpABCB21 and LpPILS7 based on somatic embryogenesis in Lilium pumilum DC. Fisch. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(18):6784. DOI: 10.3390/ijms21186784

20. Стрыгина К.В., Хлесткина Е.К. Редактирование генов пшеницы, ячменя и кукурузы с использованием системы CRISPR/Cas. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(1):46-56. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-1-o2

21. Subburaj S., Chung S.J., Lee C., Ryu S.-M., Kim D.H., Kim J.-S., Bae S., Lee G.-J. Site-directed mutagenesis in Petunia hybrida protoplast system using direct delivery of purified recombinant Cas9 ribonucleoproteins. Plant Cell Reports. 2016;35:1535-1544. DOI: 10.1007/s00299-016-1937-7

22. Sun L., Kao T.-H. CRISPR/Cas9-mediated knockout of PiSSK1 reveals essential role of S-locus F-box protein-containing SCF complexes in recognition of non-self S-RNases during cross-compatible pollination in self-incompatible Petunia inflata. Plant Reproduction. 2018;31:129-143. DOI: 10.1007/s00497-017-0314-1

23. Tasaki K., Higuchi A., Watanabe A., Sasaki N., Nishihara M. Effects of knocking out three anthocyanin modification genes on the blue pigmentation of gentian flowers. Scientific Reports. 2019;9:15831. DOI: 10.1038/s41598-019-51808-3 1

24. Tasaki K., Yoshida M., Nakajima M., Higuchi A., Watanabe A., Nishihara M. Molecular characterization of an anthocyanin-related glutathione S-transferase gene in Japanese gentian with the CRISPR/Cas9 system. BMC Plant Biology. 2020;20:370. DOI: 10.1186/s12870-020-02565-3

25. Тихонова Н.Г., Хлесткина Е.К. Генетическое редактирование для улучшения плодовых и ягодных культур. Садоводство и виноградарство. 2019;(44):10-15. DOI: 10.31676/0235-2591-2019-4-10-15

26. Tong C.-G., Wu F.-H., Yuan Y.-H., Chen Y.-R, Lin C.-S. High-efficiency CRISPR/Cas-based editing of Phalaenopsis orchid MADS genes. Plant Biotechnology Journal. 2020;18:889-891. DOI: 10.1111/pbi.13264

27. Watanabe K., Kobayashi A., Endo M., Ono K.S., Toki S., Ono M. CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of the dihydroflavonol-4-reductase-B (DFR-B) locus in the Japanese morning glory Ipomoea (Pharbitis) nil. Scientific Reports. 2017;7:10028. DOI: 10. 1038/s41598-017-10715-1

28. Watanabe K., Oda-Yamamizo C., Sage-Ono K., Ohmiya A., Ono M. Alteration of flower colour in Ipomoea nil through CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of carotenoid cleavage dioxygenase 4. Transgenic Research. 2018;27:25-38. DOI: 10.1007/s11248-017-0051-0

29. Xu J., Naing A.H., Bunch H., Jeong J., Kim H., Kima C.K. Enhancement of the flower longevity of petunia by CRISPR/Cas9-mediated targeted editing of ethylene biosynthesis genes. Postharvest Biology and Technology. 2021;174:111460. DOI: 10.1016/j.postharvbio.2020.111460

30. Yan R., Wang Z., Ren Y., Li H., Liu N., Sun H. Establishment of efficient genetic transformation systems and application of CRISPR/Cas9 genome editing technology in Lilium pumilum DC. Fisch. and Lilium longiflorum White Heaven. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20:2920. DOI: 10.3390/ijms20122920

31. Yu J., Tu L., Subburaj S., Bae S., Lee G.-J. Simultaneous targeting of duplicated genes in Petunia protoplasts for flower color modification via CRISPR/Cas9 ribonucleoproteins. Plant Cell Reports. 2021;40:1037-1045. DOI: 10.1007/s00299-020-02593-1

32. Zhang B., Xu X., Huang R., Yang S., Li M., Guo Y. CRISPR/Cas9-mediated targeted mutation reveals a role for AN4 rather than DPL in regulating venation formation in the corolla tube of Petunia hybrida. Horticulture Research. 2021;8:116. DOI: 10.1038/s41438-021-00555-6

33. Zhang B, Yang X, Yang C, Li M, Guo Y. Exploiting the CRISPR/Cas9 system for targeted genome mutagenesis in petunia. Scientific Reports. 2016;6:1-8. DOI: 10.1038/s41598-016-0001-8