Создание форм винограда с комплексной устойчивостью с применением методов генетического редактирования

Цель проекта «Создание форм винограда с комплексной устойчивостью с применением методов генетического редактирования» – получить в 2020-2022гг. отредактированные растения-регенеранты винограда для создания отечественных сортов винограда, устойчивых к мучнистой росе (МР) и серой гнили (СГ). К окончанию 2022 года будут получены первые отечественные отредактированные формы (растения) винограда, комплексная устойчивость которых к мучнистой росе и серой гнили достигнута путем нокаута генов. Для дальнейшего патентования сорта полученные отредактированные растения должны будут пройти комплексные испытания в лабораторных полевых условиях в профильном Институте «Магарач», а также регистрацию в Госсортокомиссии (дополнительно не менее 3 лет). В отличие от зарубежных разработок, в ходе данного проекта для генетической модификации получены отечественные сорта винограда, приспособленные к локальным условиям культивирования. Потенциальная востребованность результатов проекта отечественными производителями крайне высокая, так как приобретенная в результате мультиплексного нокаута генов комплексная устойчивость позволит существенно снизить количество обработок фунгицидами.

За период выполнения проекта (2020-2021гг.) в соответствии с планом НИР получены следующие результаты:

• сформирована выборка образцов винограда, чувствительных к мучнистой росе и серой гнили. В качестве контроля использован сорт Шардоне. В качестве экспериментальных – чувствительные к болезням 7 сортов: Кокур белый, Мускат белый, Рислинг, Совиньон Блан, Мерло, Мальбек, Саперави; 
• проведен in silico анализ по поиску генов-мишеней для дальнейшего редактирования, для нокаута генов MLO6, MLO7, MLO11 и WRKY57; подобраны направляющие РНК, составлены схемы конструирования векторов;
• апробированы протоколы введения в культуру in vitro почек, цветков и бутонов винограда и протоколы трансфекции протопластов;
• опубликованы две обзорные статьи в журнале Q1: Fizikova, A.; Tikhonova, N.; Ukhatova, Y.; Ivanov, R.; Khlestkina, E. Applications of CRISPR/Cas9 System in Vegetatively Propagated Fruit and Berry Crops. Agronomy 2021, 11, 1849; Fedorina J., Tikhonova N., Ukhatova Y., Ivanov R., Khlestkina E. Grapevine gene systems for resistance to gray mold Botrytis cinerea and powdery mildew Erysiphe necator. Agronomy 2022, 12, 499. 

Систематизация научных работ по теме проекта позволяет подчеркнуть актуальность поставленных задач и обосновать выбранные методы исследования. Главная задача обзорных научных работ – досконально изучить материал по теме редактирования, в том числе по вегетативно размножаемым культурам, а также по известным семействам генов устойчивости к мучнистой росе и серой гнили винограда; проанализировать и систематизировать все методы редактирования, гены-мишени. Сведения по вегетативно размножаемым культурам и опыт научных групп, работающих в разных странах мира,  полезны для работ с виноградом.

Актуальность проекта

Плодовые, ягодные культуры и виноград представляют собой важную часть рациона человека и одновременно значимые объекты генетико-селекционных, биохимических и нутрициологических научных исследований.

В настоящее время на смену селекции и межвидовой гибридизации пришли новые технологии - редактирование генов (или генома) как более актуальные, что улучшило селекционную эффективность и резко увеличило набор свойств растений, которые могут быть получены. За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в изучении у винограда cистемы генов устойчивости и восприимчивости к Erysiphe necator и Botrytis cinerea. Остается острая необходимость в дальнейшем изучение механизмов и поиск новых локусов устойчивости к патогенам.

Генетическое редактирование вегетативно размножаемых плодовых, ягодных культур и винограда при помощи CRISPR/Cas9, несмотря на существующие методические ограничения, требующие оптимизации, уже подтвердило эффективность на достаточном числе культур (земляника, виноград, яблоня, груша, киви, бананы, апельсин, кумкват, грейпфрут и др.). Вовлечение большего числа культур в программы по генетическому редактированию различных целевых генов позволит оптимизировать существующие протоколы и, таким образом, будет способствовать интеграции полученных линий и сортов плодовых, ягодных культур и винограда в производство.

Для виноградарства будущего самыми важными направлениями являются:

• преодоление инфекций с применением наименьшего количества химических веществ;
• разработка и внедрение новых устойчивых к патогенам сортов;
• сохранение и повышение содержания питательных веществ;
• получение более высоких урожаев;
• восстановление свойств, непреднамеренно утраченных во время одомашнивания.