Перспективы сочетания методов гаплоидной биотехнологии и редактирования геномов для совершенствования колосовых злаков семейства Triticeae (обзор)

За последние несколько десятилетий гаплоидные биотехнологии стали неотъемлемой частью селекционных программ для многих сельскохозяйственных культур. С помощью стратегии удвоения гаплоидов, индуцируемых в культуре гаметных клеток и тканей in vitro, посредством андрогенеза, гиногенеза и отдаленной гибридизации стало возможным значительно сократить время создания новых сортов. С помощью технологии удвоенных гаплоидов в течение одной-двух генераций можно получить выровненные гомозиготные линии, которые не только помогают ускорить селекционный процесс, но и являются хорошим подспорьем в изучении ряда научно-практических проблем. Другой перспективный инструмент для получения линий и образцов с заданными признаками в пределах нескольких поколений – редактирование генома с помощью различных редактирующих комплексов на основе нуклеаз. Появившаяся десять лет назад технология редактирования генома CRISPR/Cas9 позволяет решать самые разнообразные задачи функциональной геномики растений, включая инженерию устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам, повышение урожайности и качества продукции. Она превосходит большинство известных методов улучшения сортов по признакам, имеющим моноили полигенный контроль, поскольку дает возможность одновременного изменения нескольких генов, что актуально для полиплоидных видов. Неотъемлемой частью геномного редактирования растений, как и технологий гаплоидогенеза, является культура клеток и тканей in vitro, что открывает возможность их комбинирования. Сочетание технологий позволяет напрямую получать гомозиготные растения с новыми ген-специфичными мутациями, что обеспечивает увеличение генетического разнообразия и ускоряет отбор линейного материала, несущего новые хозяйственно полезные признаки. В представленном обзоре обобщен опыт комбинирования методов гаплоидии и геномного редактирования у колосовых злаков семейства Triticeae. Помимо анализа современного состояния, рассмотрены перспективы дальнейшего развития технологий получения гаплоидов пшеницы, ячменя, тритикале и ржи с отредактированным геномом.

1. Дьячук Т.И., Акинина В.Н., Жилин С.В., Хомякова О.В., Барнашова Е.К., Калашникова Э.В., Окладникова В.П. Гаплоидия тритикале In vitro (обзор литературы) // Зерновое хозяйство России. 2022. № 1. С. 39–45. DOI: 10.31367/2079-8725-2022-79-1-39-45

2. Злобин Н.Е., Терновой В.В., Гребенкина Н.А., Таранов В.В. Сделать сложное проще: современный инструментарий для редактирования генома растений // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21, № 1. С. 104–111. DOI: 10.18699/VJ17.228

3. Калинина Н.В., Головко С.Г., Ионова Е.В. Методы получения гаплоидов в клеточной селекции озимой пшеницы (обзор) // Зерновое хозяйство России. 2020. № 6. С. 56–63. DOI: 10.31367/2079-8725-2020-72-6-56-63

4. Кулуев Б.Р., Михайлова Е.В., Кулуев А.Р., Галимова А.А., Заикина Е.А., Хлесткина Е.К. Редактирование геномов представителей трибы пшеницевые с использованием системы CRISPR/ Cas // Молекулярная биология. 2022. Т. 56, № 6. С. 949–968. DOI: 10.31857/S0026898422060155

5. Мирошниченко Д.Н., Шульга О.А., Тимербаев В.Р., Долгов С.В. Достижения, проблемы и перспективы получения нетрансгенных растений с отредактированным геномом // Биотехнология. 2019. T. 35, № 1. С. 3–26. DOI: 10.21519/0234-2758-2019-35-1-3-26

6. Ухатова Ю.В., Ерастенкова М.В., Коршикова Е.С., Крылова Е.А., Михайлова А.С., Семилет Т.В., Хлесткина Е.К. Улучшение культурных растений при помощи системы CRISPR/Cas: новые гены-мишени // Молекулярная биология. 2023. Т. 57, № 3. С. 387–410. DOI: 10.31857/S0026898423030151

7. Ahmar S., Hensel G., Gruszka D. CRISPR/Cas9-mediated genome editing techniques and new breeding strategies in cereals-current status, improvements, and perspectives // Biotechnology Advances. 2023. Vol. 69, Article number: 108248. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2023.108248

8. Bhowmik P.K., Islam M.T. CRISPR-Cas9-Mediated gene editing in wheat: A step-by-step protocol // In book: CRISPR-Cas Methods: Springer Protocols Handbooks. Humana. New York. 2020. P. 203–222. DOI: 10.1007/978-1-0716-0616-2_13

9. Bhowmik P., Ellison E., Polley B., Bollina V., Kulkarni M., Ghanbarnia K., Kagale S. Targeted mutagenesis in wheat microspores using CRISPR/Cas9 // Scientific reports. 2018. Vol. 8, Article number: 6502. DOI: 10.1038/s41598-018-24690-8

10. Bilichak A., Sastry-Dent L., Sriram S., Simpson M., Samuel P., Webb S., Eudes F. Genome editing in wheat microspores and haploid embryos mediated by delivery of ZFN proteins and cellpenetrating peptide complexes // Plant Biotechnology Journal. 2020. Vol. 18, Iss. 5. P. 1307–1316. DOI: 10.1111/pbi.13296

11. Budhagatapalli N., Halbach T., Hiekel S., Büchner H., Müller A.E., Kumlehn J. Sitedirected mutagenesis in bread and durum wheat via pollination by cas9/guide RNA-transgenic maize used as haploidy inducer // Plant Biotechnology Journal. 2020. Vol. 18, Iss. 12. P. 2376–2378. DOI: 10.1111/pbi.13415

12. Deimling S., Flehinghaus-Roux T. Haploidy in rye // In vitro haploid production in higher plants. Current Plant Science and Biotechnology in Agriculture / Еd. by S.M. Jain, S.K. Sopory, R.E. Veilleux. Springer, Dordrecht. 1997. Vol. 26. P. 181–204. DOI: 10.1007/978-94-017-1862-2_10

13. Gaj T., Sirk S. J., Shui S.L., Liu J. Genome-editing technologies: principles and applications // Cold Spring Harbor perspectives in biology. 2016. Vol. 8, Iss. 12. Article number: a023754. DOI: 10.1101/cshperspect.a023754

14. Gurushidze M., Hensel G., Hiekel S., Schedel S., Valkov V., Kumlehn J. True-breeding targeted gene knock-out in barley using designer TALE-nuclease in haploid cells // PloS one. 2014. Vol. 9, Iss. 3. Article number: e92046. DOI: 10.1371/journal.pone.0092046

15. Gurushidze M., Hiekel S., Otto I., Hensel G., Kumlehn J. Site-directed mutagenesis in barley by expression of TALE nuclease in embryogenic pollen // Biotechnologies for Plant Mutation Breeding / ed. by J. Jankowicz-Cieslak, T. Tai, J. Kumlehn, B. Till. Springer, Cham. 2017. P. 113–128. DOI: 10.1007/978-3-319-45021-6_7

16. Hale B., Ferrie A.M., Chellamma S., Samuel J.P., Phillips G.C. Androgenesis-based doubled haploidy: Past, present, and future perspectives // Frontiers in Plant Science. 2022. Vol. 12. Article number: 751230. DOI: 10.3389/fpls.2021.751230

17. Han Y., Broughton S., Liu L., Zhang X.Q., Zeng J., He X., Li C. Highly efficient and genotypeindependent barley gene editing based on anther culture // Plant communications. 2021. Vol. 2, Iss. 2. Article number: 100082. DOI: 10.1016/j.xplc.2020.100082

18. Hoffie R.E., Otto I., Hisano H., Kumlehn J. Site-directed mutagenesis in barley using RNA-guided Cas endonucleases during microspore-derived generation of doubled haploids // Doubled Haploid Technology: Methods in Molecular Biology / ed. J.M. Segui-Simarro. Humana. New York. 2021. Vol. 2287. P. 199–214. DOI: 10.1007/978-1-0716-1315-3_9

19. Hoffie R.E., Perovic D., Habekuß A., Ordon F., Kumlehn J. Novel resistance to the Bymovirus BaMMV established by targeted mutagenesis of the PDIL5-1 susceptibility gene in barley // Plant Biotechnology Journal. 2023. Vol. 21, Iss. 2. P. 331–341. DOI: 10.1111/pbi.13948

20. Karmacharya A., Li D., Leng Y., Shi G., Liu Z., Yang S., Zhong S. Targeting disease susceptibility genes in wheat through wide hybridization with maize expressing Cas9 and guide RNA // Molecular Plant-Microbe Interactions. 2023. Vol. 36, Iss. 9. P. 554–557. DOI: 10.1094/MPMI-01-23-0004-SC

21. Kelliher T., Starr D., Su X., Tang G., Chen Z., Carter J., Que Q. One-step genome editing of elite crop germplasm during haploid induction // Nature biotechnology. 2019. Vol. 37, Iss. 3. P. 287–292. DOI: 10.1038/s41587-019-0038-x

22. Massiah A., Rong H.L., Brown S., Laurie S. Accelerated production and identification of fertile, homozygous transgenic wheat lines by anther culture // Molecular Breeding. 2001. Vol. 7, P. 163–173. DOI: 10.1023/A:1011308916226

23. Miroshnichenko D., Timerbaev V., Divashuk M., Pushin A., Alekseeva V., Kroupin P., Dolgov S. CRISPR/Cas9-mediated мultiplexed multi-allelic mutagenesis of genes located on A, B and R subgenomes of hexaploid triticale // Plant Cell Reports. 2024. Vol. 43, Article number: 59. DOI: 10.1007/s00299-023-03139-x

24. Ohnoutková L., Vlčko T. Homozygous transgenic barley (Hordeum vulgare L.) plants by anther culture // Plants. 2020. Vol. 9, Iss. 7. Article number: 918. DOI: 10.3390/plants9070918

25. Tang Q., Wang X., Jin X., Peng J., Zhang H., Wang Y. CRISPR/Cas Technology Revolutionizes Crop Breeding // Plants. 2023. Vol. 12, Iss. 17. Article number: 3119. DOI: 10.3390/plants12173119