AGRIS - 

2020

L.  A. Elkonin | V.  M. Panin | O.  A. Kenzhegulov | G.  A. Gerashchenkov | Л. А. Эльконин | В. М. Панин | О. А. Кенжегулов | Г. А. Геращенков

Представлен обзор работ по использованию методов генетической инженерии и геномного редактирования для улучшения питательной ценности зерна сорго. За последние 5-7 лет в результате экспериментов, выполненных несколькими группами исследователей, созданы трансгенные линии, несущие генетические конструкции для РНК-сайленсинга разных подклассов кафиринов (проламинов зерна сорго). В экспериментах по геномному редактированию с использованием системы CRISPR/Cas9 получены мутанты с делециями и инсерциями в сигнальной последовательности гена, кодируюшего 22 кДа α-кафирин сорго. Такие линии и мутанты характеризуются улучшенной перевариваемостью белков зерна в системе in vitro, измененной ультраструктурой белковых телец и повышенным содержанием лизина. РНК-сайленсинг α-кафирина повышал перевариваемость белков сырой муки, а также муки, подвергшейся кипячению, тогда как сайленсинг γ-кафирина приводил к улучшению перевариваемости белков только сырой муки. Зерновки линий с сайленсингом α-кафирина имеют мучнистый тип эндосперма, что снижает их ценность для прямого коммерческого использования поскольку рыхлый мучнистый эндосперм уменьшает механическую прочность зерновок и способствует их контаминации микрофлорой; однако эти линии могут быть использованы в качестве доноров высокой перевариваемости запасных белков при скрещивании с линиями сорго, адаптированными к местным условиям, для улучшения их питательной ценности. Зерновки линий с сайленсингом γ-кафирина характеризуются разными типами эндосперма: мучнистым, стекловидным или модифицированным типом с вкраплениями стекловидного эндосперма в мучнистый. Этот факт указывает на возможность получения агрономически-ценных линий сорго с высокой перевариваемостью кафиринов и твердым эндоспермом. Повышенное содержание лизина в зерновках линий сорго с подавленным синтезом кафиринов может быть связано с балансировкой уровня белка в эндосперме за счет синтеза других белков, в том числе, с более высоким содержанием незаменимых аминокислот. Наряду с улучшением перевариваемости кафиринов, генно-инженерный подход позволил создать линии сорго с увеличенным содержанием в зерне провитамина А и его повышенной стабильностью при хранении. Результаты работ свидетельствуют о перспективности использования методов РНК-интерференции и геномного редактирования для создания линий сорго с улучшенной питательной ценностью зерна. | The paper presents a review of the studies on the use of genetic engineering and genome editing tools for improving nutritional properties of sorghum grain. As a result of experiments performed over the past 5-7 years by several research groups, the created transgenic lines carry genetic constructs for RNA silencing of different kafirin sub-classes (prolamins of sorghum grain). The CRISPR/Cas9 genome editing experiments have yielded mutants with deletions and insertions in the signal sequence of the gene encoding the 22 kDa α-kafirin in sorghum. These lines and mutants were characterized by improved in vitro digestibility of grain proteins, altered ultrastructure of protein bodies and an increased content of lysine. RNA silencing of α-kafirin increased the digestibility of proteins of both raw and cooked flour, while silencing of γ-kafirin led to improved digestibility of proteins of only raw flour. The lines with α-kafirin silencing have kernels with the floury endosperm type that discourages their direct commercial use because of fragility and reduced tolerance to fungal contamination; however, these lines can be used as donors of high digestibility trait when crossed with sorghum lines adapted to local conditions to improve their nutritional value. Kernels of the lines with γ-kafirin silencing may have different endosperm types: floury, vitreous, or a modified type with vitreous endosperm interspersed in the floury endosperm. This fact indicates the possibility of producing agronomically important sorghum lines with high kafirin digestibility and hard endosperm. The increased lysine level in kernels of sorghum lines with the suppressed synthesis of kafirins may be caused by rebalancing of protein synthesis in endosperm of developing kernels due to the synthesis of other proteins, including those with a higher content of essential amino acids. Alongside with improving the digestibility of kafirins, the genetic engineering approach allowed the creation of sorghum lines with a high content of provitamin A in grain and its increased stability during long-term storage. The results of these works show that it is promising to use RNA-interference and genome editing for creating sorghum lines with improved nutritional value of grain.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2020

V. Yu. Sannikova | В. Ю. Санникова

An important trend in the field of floriculture is the creation of new varieties of ornamental plants, among which varieties with unusual color are most in demand. To this end, traditional breeding and selection programs have been successfully applied for many years. However, currently genetic engineering is able to offer an alternative way to obtain new forms and varieties. Anthocyanins belonging to flavonoids, betalains and carotenoids are the main types of pigments that are synthesized in the plant and are responsible for the color of flower petals. The modification of pigment biosynthesis pathways using genetic engineering techniques can produce results that cannot be obtained by traditional breeding. This review presents the main advances in the application of genetic engineering techniques in floriculture using the example of flower color modification. There are several main areas of work with the genes of pigment biosynthesis. Among them, the strategy of suppressing gene expression is used most often. Expression of certain genes is suppressed to prevent pigment synthesis, or vice versa, to eliminate factors that hinder color development. The method of additional heterologous genes insertion to plants lacking them in the pathway of pigment biosynthesis is often used. Genomic editing, in particular by using the CRISPR/Cas system, is also used for color modification, but the application of this method to ornamental plants is a relatively recent innovation. Despite the rapid development of biotechnology, there are obstacles to the distribution of genetically modified plants on the world market. By addressing a number of problems, the production of transgenic ornamental plants may become economically more cost-effective and attractive than the development of new varieties exclusively through traditional breeding methods. | Важным направлением в цветоводстве является получение новых сортов декоративных растений, среди которых наибольшим спросом пользуются растения с необычной окраской цветков. Ранее для их получения успешно применялись традиционные программы по разведению и селекции. Однако в настоящий момент генная инженерия способна предложить альтернативный путь создания новых форм и сортов. Антоцианы, относящиеся к флавоноидам, беталаины и каротиноиды являются основными типами пигментов, которые синтезируются в растении и отвечают за окраску лепестков цветка. Модификация путей биосинтеза пигментов с помощью методов генной инженерии позволяет добиться результатов, которые не могут быть получены при помощи традиционной селекции. В данном обзоре литературы представлены основные достижения применения методов генной инженерии в цветоводстве путём модификации окраски цветков. Существует несколько основных направлений в работе с генами биосинтеза пигментов. Среди них чаще всего используется стратегия по подавлению экспрессии генов для предотвращения синтеза пигмента или, наоборот, для устранения факторов, препятствующих развитию окраски. Нередко используется метод введения в геном растений дополнительных гетерологичных генов, недостающих в пути биосинтеза пигментов. Также для модификации окраски прибегают к геномному редактированию посредством технологии CRISPR/Cas, но данный метод в отношении декоративных растений стал использоваться относительно недавно. Несмотря на быстрое развитие биотехнологий, существуют препятствия для распространения генномодифицированных растений на мировом рынке. Преодоление ряда проблем сможет сделать производство трансгенных декоративных растений экономически более выгодным и привлекательным, чем выведение новых сортов исключительно с помощью традиционных методов селекции.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation

2019

E. K. Khlestkina | Е. К. Хлесткина

Genome editing using the CRISPR/Cas system is a breakthrough technology in plant genetics and breeding. The most large-scale application of this new technology on crop species is observed for rice. This fact is explained not only by the significance of this crop, but also by the relatively high transformation amenability. Although the end result of genome editing is a non-transgenic plant with desired mutation (mutations), an unavoidable step in the process of creating such a new mutant is the use of genetic engineering methods. To date, the CRISPR/Cas system has been tested on dozens of rice target genes, of which mutations in more than 30 genes have led to the desired improvement of economically important traits. The remaining experiments are related mainly to the verification of the genes’ functions, and belong to the field of reverse genetics. Improvement or acquisition of new properties is associated with mutations in the genes that affect productivity, grain fragrance and chemical composition, flowering time, the resistance to biotic and abiotic stress factors, and herbicides, as well as pollination control needed in hybrid breeding. These achievements are reviewed in the current article. It is important to note that about fifty different genotypes are already involved in improving rice varieties with the help of genome editing. This creates the prerequisites for a wide practical application of genome editing technologies in rice breeding programs | Геномное редактирование при использовании системы CRISPR/Cas стало прорывной технологией в области генетики и селекции растений. Из всех возделываемых культур наиболее масштабное применение этой новой технологии наблюдается на рисе. В первую очередь данный факт объясняется не только значимостью культуры, но и относительно высокой эффективностью применения к ней методов генетической трансформации. Хотя конечным результатом геномного редактирования является получение нетрансгенного растения с заданной мутацией (мутациями), неотъемлемым этапом процесса создания такой новой мутантной формы служит применение комплекса методов генетической инженерии. На сегодняшний день система CRISPR/Cas апробирована на десятках генов-мишеней риса, из которых мутации более чем в 30 генах привели к желаемому улучшению селекционно значимых свойств. Остальные эксперименты связаны, главным образом, с проверкой функций генов, и относятся к области обратной генетики. Улучшение или приобретение новых свойств обусловлено внесением направленных мутаций в гены, влияющие на продуктивность, аромат зерна и его химический состав, сроки цветения, устойчивость к факторам биотического и абиотического стресса и гербицидам, а также контроль за опылением, используемый в гибридной селекции. Эти достижения рассматриваются в настоящем обзоре. Важно отметить, что в работы по улучшению сортов риса вовлечены уже около полусотни различных генотипов. Это создает предпосылки для широкого практического применения технологий геномного редактирования в программах по селекции риса.

Show more [+]

Less [-]

N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources - Russian Federation