CC BY
45УДК 577.21:575.22:581.6
Цис-, 1нтра-, субгенез, геномне редагування -
• ••• ■ • ••• •
передов1 технологи модиф1каци геном1в с1льськогосподарських культур
Н. Е. Волкова, доктор б10Л0г1чних наук
Селекц1-йно-генетичний 1'нститут - Нац'ональний центр наа'ннезнавства та сортовивчення natavolki@ukr.net
Мета. Огляд л1'тератури про сучасн технолога генетично!' модифжацГ! геном1'в с'льськогосподарських культур. Результати. Проанал1'зовано сучасний стан створення генетично модифжованих рослин. Подано 1нформац1'ю про цис-, 1'нтра- та субгенн рослини та пор1'вняння 1х з трансгенними культурами. Наведено приклади застосуван-ня цис- та 1'нтрагенезу для пол1'пшення ознак с1'льськогосподарських культур. Розглянуто найсучасншу технолоп'ю модиф1кац11 геном1'в с1'льськогосподарських культур - геномне редагування. Висновки. Технолога створення цис-, 1'нтра-, субгенних рослин швидко розвиваються й впроваджуються в с'льськогосподарських культурах XXI стол1'ття, що може розв'язати проблему забезпечення продовольством пост'йно зростаючого населення св1'ту з найменшими суперечностями сустльних 1'нтерес1'в.
Ключов1 слова: генетична модифжац'я, цисгенез, 1'нтрагенез, субгенез, геномне редагування, с1'льськогосподарськ1 культури.
Вступ. Генетична шженер!я ильськогос-подарських культур е технолоиею, де геном культури-господаря доповнюеться (змшю-еться) чужорвдним геном, який регулюеться певними регуляторними послвдовностями (промотор, термшатор та ш.). Генетична ш-женер1я рослин почалася в 1983 р. досл1-дженням експреси бактер1ального гена в тютюн! [1], а перша трансгенна (генетично мо-дифшована, або ГМ) продовольча культура (помвдор Flavr Savr) була комерщал!зована компанею Calgene Company в 1994 р. [2]. На цей час трансгенн культури мають р!зн ознаки, зокрема толерантнсть до пестици-д1в, гербщид!в, бютичних i абютичних стре-с1в, продукування б!лк!в для змши метабо-л!чних шлях!в та/або отримання нових функцш, щоб шдвищити харчову цштсть.
Хоч гени в ольськогосподарсьм культури додають i за допомогою традицшних селек-цшних п!дход!в, селекцшне потомство не вважають ГМ, тому що вбудоваш гени та 1хш регуляторш послвдовносп належать до пе! само! культури-господаря або, в деяких ви-падках (наприклад, у раз! схрещування в!вса та ячменю), до культури, здатно! до схрещу-вання з господарем.
Незважаючи на той факт, що трансгенш технологи довели свою ефективнсть для
ильського господарства, вони залишаються дискусшною темою для громадськост з моменту ¿хньо! появи. Етичн проблеми й пи-тання безпеки (ризишв) щодо бютехнолоич-них культур, яким присвячено велику шль-шсть публшацш, в основному пов'язаш з тим, що бшьшгсть затверджених ГМ органз-м!в мгстять генетичн елементи, отриман ввд несумкних вид!в, та селективн маркери антибютишв або гербщидостшкосп [3].
Метою статт! е огляд лггератури стосовно сучасних технологш генетично! модифшаци геном!в с!льськогосподарських культур.
Результати дослщжень. Останшм часом розроблено нов! шструменти генетично! мо-дифшаци сльськогосподарських культур -цисгенез, штрагенез, геномне редагування [4].
Цисгенез. Термш «цисгенна рослина» був вперше введений у 2006 р. ! означае «куль-турн! рослини, як! були генетично модиф!-коваш з одним або к!лькома генами (як! мгс-тять штрони ! фланкуюч! регюни, так! як нативн регюни промотору ! термшатору в смисловш ор!ентаци), !зольоваш з донорно! рослини, здатно! до схрещування» [5]. Генетично модифшоваш цисгенн культури мю-тять гени, що збериають 1хнш природний генетичний склад, тобто е идеальною повною кошею природного гена з ус!ма його регуля-
торними елементами. Джерелом цисгена е Ti caMi рослиннi види або сексуально cyMicii види, як використовують для трaдицiйноi селекци. Однак, на ввдмшу вiд трaдицiйноi селекци, цисгенш культури мicтять виключ-но ген або гени, що становлять штерес, i не мicтять небaжaнi генетичш елементи [6].
У 2012 р. бвропейське агентство з безпеки продукпв харчування (European Food Safety Authority) опублшувало доповiдь з даними порiвняння потенцiйноi шкоди рослинних продyктiв, отриманих рiзними способами. В резyльтaтi був зроблений висновок про те, що ризики, пов'язаш з споживанням цисген-них рослин i cортiв, отриманих методами класично! cелекцii, е сшвставними [7]. Але формально циcгеннi рослини шдходять пiд визначення генетично модифшованих орга-нiзмiв, i маркування !х е обов'язковим.
1нтрагенез. Iнтрaгеннi культури ввдносять до ГМ оргaнiзмiв, де штродукований штра-ген також походить ввд того самого виду або здатних до схрещування видiв, але, на вщ-мiнy вiд цисгешв, iнтрaгени е гiбридними генами, як можуть мати генетичнi елементи з рiзних генiв i локуив [8]. Це означае, що послвдовносп гена (з iнтронaми або без них) можуть регулюватися промоторами i термi-наторами рiзних генiв. Щ гени, що сприяти-муть трансгеннш регуляци, мають належа-ти до того самого генофонду, здатного до схрещування [9]. У результат^ екcпреciя певного гена може бути модифшована у рaзi використання рiзних промоторiв або терм^ нaторiв. 1нтрагенез дае можливicть будувати новi генетичнi комбшаци, iнтродyкyвaти мшливмть генно'1 експреси, створювати новi проф^ експреси i, отже, новi ГМ оргашзми з iнновaцiйними властивостями. На оcновi використання нативних генiв, порiвняно з використанням гiбридних генiв, цисгенез можна вважати набагато ближчим до тради-цшно'1 селекци, нiж штрагенез.
РНК-ттерференщя. До пiдходiв генетич-но! модифшаци вiдноcять i технологiю на оcновi процесу пригнiчення експреси гешв -РНК-штерференци (RNAi), в якш ген, що регулюеться, завжди належить до само'1' культури. Впм, його регyляторнi послвдов-ноcтi можуть належати до тае1 само'1 росли-ни-господаря, до 6удь-яко! здатнох до схрещування культури або до будь-якого шшого живого оргашзму. Тому, залежно ввд джерел регуляторних послвдовностей, тaкi культури можуть належати до тран^енно^ циcгенноi або iнтрaгенноi категорш. Наприклад, тех-нологiю RNAi, яку використовують для зни-ження експреси гена редуктази циннамо-
1Л CoA кукурудзи (cinnamoylcoenzyme A reductase, CCR, нативного гена, пов'язаного з бюсинтезом л^ншу), можна вважати iнтрa-генною [10], оcкiльки промотор, що регулюе CCR у рaзi негaтивноi регуляци, вiдноcять до Asteraceous chrysanthemum, рослини, яка не може бути схрещена з рослиною кукурудзи.
Приклади застосування цис- та ттраге-незу для полтшення ознак сшъсъкогосподар-ських кулътур. Культури, для полшшення ознак яких використано цис- та штрагенний шдходи, включають картоплю [11-13], яблу-ню [14, 15], полуницю [16], люцерну [17], райграс пасовищний [18], тополю [19], яч-мшь [20], пшеницю тверду [21].
Перша iнтрaгеннa картопля була розробле-на для продукування високого вмюту ам1ло-пектину [22]. Цей п1дхвд ^рунтуеться на сай-ленсингу гена грaнyлопов'язaноi крохмаль-синтази, який е вiдповiдaльним за синтез амшози. Склад крохмалю в кaртоплi е важ-ливою ознакою, й ниш складно отримати культивовану тетрапло^дну картоплю з по-трiбним вмютом aмiлози та aмiлопектинy. Таким чином, стратеги сайленсингу синте-тичних гешв або амшози, чи aмiлопектинy дали можливмть отримувати тетрaплоiднi сорти, ям мicтять вci необхiднi ознаки, на-явнi у вихiдного сорту [23]. Ця форма карто-плi (B/NL/07/04) була «випущена в поля» в GC у 2007 р. компашею AVEBE. Iншi iнтрa-геннi шдходи стосуються переробноi якоcтi кaртоплi. Наприклад, ферментативне поко-ричневiння зменшено шляхом сайленсингу гена полiфенолокciдaзи, який кaтaлiзye окиснення цитоплазматичних полiфенолiв, що зумовлюють прециштащю мелaнiнy й по-пршення якоcтi бульб пiд час збериання [24].
1ншою важливою ознакою кaртоплi е хо-лод-iндyковaне пiдcолоджyвaння, що зумов-лено високою дегрaдaцieю крохмалю, спри-чиненою низькою температурою шд час збе-рiгaння. Щоб запобити цьому, в iнтрaгенноi кaртоплi проведено сайленсинг двох гешв, що беруть участь у деградаци крохмалю, -водна дикшаза (R1) i амшопласт-щльова фоcфорiлaзa-L (PhL) [25]. Згодом проведено сайленсинг уих генiв (PPO, R1 i PhL) у кар-топлi для продукування бульб з полшшени-ми властивостями [26].
Oднieю з основних проблем селекци карто-плi е створення сортв, cтiйких проти фiто-фторозу - нaйпоширенiшоi хвороби кaртоплi, збудником яко'1 е оомiцети Phytophthora infes-tans. Гени толерантносп (R-гени), нaявнi в ди-коросло'1 кaртоплi, були перенесет в сорти методами трaдицiйноi селекци, але обмежено - через ввдмшносп в рiвнi плоiдноcтi мiж ви-
32
Сортовивчення тл охоронл ПРАВ на сорти рослин
дами картопл! [27]. 3 ще! причини у Програм! Durable Resistance against Phytophthora (DuRPh) використано цисгенний шдх1д для введення шлькох R-гешв з 1хн!ми р1дними ре-гуляторними послвдовностями з дикоросло! картопл! в культивовану картоплю [28].
Найшк!длив!шим i поширеним захворю-ванням яблун е парша, спричинена аском!-цетами Venturia inaequalis. Ус! культивован яблуш е сприйнятливими до цього патогена. Ген HcrVf2, наявний у локус Vf стшкосп проти парш!, введено в сорт яблуш Gala [15]. Переданий ген мгстить сво! власн регуля-торн! посл!довност! - промотор ! терм!натор. Фактично, це досладження претендуе бути першою допов!ддю щодо поколшня «астин-но! цисгенно! рослини». 1нтрагенний шдхвд також застосовано для шдукци стшкосп проти парш! з використанням того самого гена HcrVf2 [14], але в цьому раз! ген стай-коси контролюеться промотором i термша-тором мало! субодинищ гена рубюко яблуш.
Модифшащя архиектури й темшв росту е серйозною проблемою для промисловосп де-ревних рослин. Цисгенний шдхвд, розробле-ний для топол!, спрямований на розв'язання обох проблем [19]. Для цього гени, що коду-ють ензими бюсинтезу иберелтово! кисло-ти, разом зГ своими власними регуляторними послвдовностями були надекспресоваш в то-пол!, що призвело до зб!льшення темшв росту дерева. Ввдповвдно до цього надлишкова експрес!я катабол!чних ген!в, а також нега-тивних регулятор!в призводить до зменшен-ня темп!в росту й розм!ру дерева. Таким чином, цисгенна та штрагенна стратеги мо-жуть бути корисними для рослин з великою тривал!стю життя та високим р!внем гетеро-зиготносп, для яких традицшна селекщя е дуже обмеженою.
Цисгенний ячмшь створено шляхом введення шлькох кошй гена власно! фиази [20]. Фиаза катал!зуе вив!льнення фосфату з ф!-тиново! кислоти, внасладок чого фосфат стае доступним для засвоення тваринами. Ця стратег!я е перспективною для зб!льшення б!одоступност! фосфату ! може являти собою альтернативу для уникнення додавання до корму мтробюлоично отримано! фиази й зменшення забруднення навколишнього се-редовища фосфатом.
Геномне редагування. Передовою технолоп-ею модифшаци геном!в ольськогосподарських культур е геномне редагування, призначене для точного й сайт-специф!чного (замгсть ви-падкового) додавання, зм!ни або видалення ген!в. Ця технолог!я представлена системами цинк-пальцевих нуклеаз (zinc-finger nucleases,
ZFNs), транскрипцшних активатор-под!бних ефектор!в нуклеаз (transcription activator-like effector nucleases, TALENs) i кластеризованих регулярно !нтерсперсованих коротких пал!н-дромних повтор!в (clustered regularly interspersed short palindromic repeats, CRISPR)/Cas). Якщо до цього часу трансгенно! трансформаций досягали за допомогою Agrobacterium або мшробомбардування ДНК, то ниш щ нов! бю-технологи використовують для шдвищення ефективност! та точност! процесу трансформа-ци. Вони дають можливгсть розр!зати ДНК у заздалег!дь визначеному м!сц! й точно вводи-ти мутаци або замши окремих нуклеотид!в в оптимальному м!сц! в геном! для максимально! експреси.
Щ методи докладно розроблеш, i'хнiй опис наведено в багатьох публшащях [29-33]. Система ZFN використана для усшшного впровадження толерантност! до герб!цид!в у кукурудзи [34], TALENs - для видалення гена рису, який надае сприйнятливосп до небезпечного бактер!ального захворювання - оп!ку рису, та створення ароматичного рису [35]. 3а допомогою системи CRISPR/Cas ви-ведено сорт пшениц!, стшко! проти борош-нисто! роси: досладники видалили дешлька кошй гешв, що кодують бшки, як! пригш-чують захист проти хвороби [36]. Впм, екс-перти в ц!й галуз! вважають, що потенц!йно «реальною силою» зазначених нових метод!в е i'хня здатнсть «редагувати» й змшювати природш гени рослин, що кодують таку важливу ознаку, як посухост!йк!сть, ! пол!п-шувати властивост культур, що не е транс-генними. Кр!м наукового прогресу, викорис-тання таких технологш впливае на позитив-не сприйняття отримано! рослинно! продук-ц!! з боку громадськост!.
1нший вид нових шдходГв перебувае ще на ранн!х стад!ях розвитку - транспортери мембран рослин. Останн! досл!дження св!д-чать, що спецiалiзованi транспортери мембран рослин можуть бути використан для збшьшення врожайност основних сшьсько-господарських культур, вм!сту м!кроелемен-т!в ! п!двищення ст!йкост! проти основних стрес!в, у тому числ! засолення, патоген!в та алюмiнieвоi' штоксикаци [37].
1деальний сценарш редагування генома буде уникати введення будь-яких «нерослин-них» генетичних посл!довностей у геном куль-тури-господаря ст!льки, ск!льки можливо, а пот!м вир!зати вс! нерослинн! посл!довност! (наприклад, селективн! маркерн! гени, Cas ! т. д. ), якщо вони необх!дн! в процес! додаван-ня цисгена до генома с!льськогосподарсько! культури.
Хоч наведен! снстемн геномного редагу-вання можуть бути використаш для вида-лення небажаних генетичних послвдовнос-тей з геном1в культур, остання з них шд на-звою транспозаза PiggyBac [38] може бути кращим вар!антом вир!зання будь-яких небажаних послвдовностей ДНК.
Ус! перел!чеш технологй' редагування генома потребують знань геномши, доповнених генетичною шженер!ею. Але ниш е ряд ком-панш (наприклад, Sigma-Aldrich, Clonetech i Addgene), як! вже продають вектори геномного редагування та послуги заштересованим нау-ковим колективам. Незалежно в!д використа-них систем редагування, культуру, геном яко'1 редагуеться, називають «субгенною» [39].
Висновки. Передовими технолопями моди-фшаци геном!в ильськогосподарських культур е цис-, штра-, субгенез, геномне редагування. Технологй' створення цис-, штра-, суб-генних рослин швидко розвиваються й реал!-зуються в с!льськогосподарських культурах ХХ1 столитя, що може розв'язати проблему забезпечення продовольством пост!йно зрос-таючого населення свггу з найменшими су-перечностями сусп!льних !нтерес!в.
Використана литература
1. Expression of bacterial genes in plant cells / R. Fraley, S. Rogers, R. Horsch [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1983. - Vol. 80, Iss. 15. - pp. 4803-4807.
2. Bruening G. The case of the FLAVR SAVR tomato / G. Bruening, J. M. Lyons // California Agriculture. - 2000. - Vol. 54, Iss. 4. - pp. 6-7.
3. Qaim M. Genetically Modified Crops and Agricultural Development / M. Qaim. - Basingstoke, UK : Palgrave MacMillan Publ., 2015. - 272 p.
4. Cisgenesis and Intragenesis: New tools for improving crops / C. Espinoza, R. Schlechter, D. Herrera [et al.] // Biol. Res. - 2013.
- Vol. 46, Iss. 4. - pp. 323-331.
5. Schouten H. J. Do cisgenic plants warrant less stringent oversight? / H. J. Schouten, F. A. Krens, T. Jacobsen // Nature Biotechnology. - 2006. - Vol. 24, Iss. 7. - pp. 753.
6. Cisgenics - a sustainable approach for crop improvement / R. Telem, S. Wani, N. Singh [et al.] // Current Genomics. - 2013. -Vol. 14, Iss. 7. - pp. 468-476.
7. Scientific opinion addressing the safety assessment of plants developed through cisgenesis and intragenesis // EFSA Journal. - 2012. - Vol. 10, Iss. 2. - pp. 2561-2594.
8. The intragenic approach as a new extension to traditional plant breeding / C. Rommens, M. Haring, K. Swords [et al.] // Trends Plant Sci. - 2007. -Vol. 12, Iss. 9. - pp. 397-403.
9. Sticklen M. Transgenic, cisgenic, intragenic and subgenic crops / M. Sticklen // Adv. Crop Sci. Tech. - 2015. - Vol. 3, Iss. 2. -e123. doi: 10.4172/2329-8863.1000e123.
10. Down-regulation of maize cinnamoyl-CoA reductase via RNAi technology causes brown midrib and improves AFEXTM-pretreated conversion into fermentable sugars for biofuels / S. Park, C. Mei, M. Pauly [et al.] // Crop Sci. - 2012. - Vol. 52, Iss. 6. - pp. 2687-2701.
11. Low-acrylamide French fries and potato chips / C. M. Rommens, H. Yan, K. Swords [et al]// Plant Biotechnol. J. - 2008. - Vol. 6, Iss. 8. - pp. 843-853.
12. Applied biotechnology to combat late blight in potato caused by phytophthora infestans / A. J. Haverkort , P. C. Struik,
R. G. F. Visser, E. Jacobsen // Potato Research. - 2009. - V. 52, Iss. 3. - pp. 249-264.
13. Chawla R. Tuber-specific silencing of asparagine synthetase-1 reduces the acrylamide-forming potential of potatoes grown in the field without affecting tuber shape and yield / R. Chawla, R. Shakya, C. Rommens // Plant Biotechnol. J. - 2012. -Vol. 10, Iss. 8. - pp. 913-924.
14. Functional analysis and expression profiling of HcrVf1 and HcrVf2 for development of scab resistant cisgenic and intragenic apples / S. Joshi, J. Schaart R. Groenwold [et al.] // Plant Mol. Biol. - 2011. - Vol. 75, Iss. 6. - pp. 579-591.
15. The development of a cisgenic apple plant / T. Vanblaere, I. Szankowski, J. Schaart [et al.] // J. Biotechnol. - 2011. - Vol. 154, Iss. 4. - pp. 304-311.
16. Effective production of marker-free transgenic strawberry plants using inducible site-specific recombination and a bifunctional selectable marker gene / J. Schaart, F. Krens, K. Pelgrom [et al.] // Plant Biotechnol. J. - 2004. - Vol. 2, Iss. 3. - pp. 233-240.
17. Weeks J. T. Development of an in planta method for transformation of alfalfa (Medicago sativa) / J. T. Weeks, J. Ye, C. M. Rommens // Transgenic Res. - 2008. - Vol. 17, Iss. 4. - pp. 587-597.
18. Towards engineering drought tolerance in perennial ryegrass using its own genome / S. Bajaj, S. Puthigae, K. Templeton [et al.] // 6th Canadian plant genomics workshop (Toronto, 23-26 June 2008) : abstract. - Toronto, 2008. - p. 62.
19. Gibberellin-associated cisgenes modify growth, stature and wood properties in Populus / K. Han, P. Dharmawardhana, R. Arias [et al.] // Plant Biotechnol. J. - 2011. - Vol. 9, Iss. 2. - pp. 162-178.
20. Cisgenic barley with improved phytase activity / I. Holme, G. Dionisio, H. Brinch-Pedersen [et al.] // Plant Biotechnol. J. -2012. - Vol. 10, Iss. 2. - pp. 237-247.
21. A transgenic durum wheat line that is free of marker genes and expresses 1DY10 / A. Gadaleta, A. Giancaspro, A. Blechl, A. Blanco // J. Cereal Sci. - 2008. - Vol. 48, Iss. 2. - pp. 439-445.
22. A transformation method for obtaining marker-free plants of a cross-pollinating and vegetatively propagated crop / N. de Vetten, A. Wolters, K. Raemakers [et al.] // Nat Biotechnol. -2003. - Vol. 21, Iss. 4. - pp. 439-442.
23. Holme I. B. Intragenesis and cisgenesis as alternatives to transgenic crop development / I. B. Holme., T. Wendt P. B. Holm // Plant Biotechnol. J. - 2013. - Vol. 11, Iss. 4. - pp. 395-407.
24. Crop improvement through modification of the plant's own genome / C. Rommens, J. Humara, J. Ye [et al.] // Plant Physiol.
- 2004. - Vol. 135, Iss. 1. - pp. 421-431.
25. Potatoes having improved quality characteristics and methods for their production / L. M. Kawchuk, J. D. Armstrong, D. R. Lynch, N. R. Knowles // US patent application, 1999. - US 5998701.
26. Improving potato storage and processing characteristics through all-native DNA transformation / C. M. Rommens, J. Ye., C. Richael, K. Swords // J. Agric. Food Chem. - 2006. - Vol. 54, Iss. 26. - pp. 9882-9887.
27. Molecular breeding for resistance to Phytophthora infestans (Mont.) de Bary in potato (Solanum tuberosum L.): a perspective of cisgenesis / T. H. Park, V. G. A. A. Vleeshouwers, E. Jacobsen [et al.] // Plant Breeding. - 2009. - Vol. 128, Iss. 2. - pp. 109-117.
28. Сайт Wageningen UR (University & Research centre) [Електро-нний ресурс]. - Режим доступу : http://www.wageningenur. nl/en/Expertise-Services/Research-Institutes/plant-research-international/DuRPh.htm.
29. Carroll D. Genome engineering with zinc-finger nucleases / D. Carroll // Genetics. - 2011. - Vol. 188, Iss. 4. - pp. 773-782.
30. Voytas D. Plant genome engineering with sequence-specific nucleases / D. Voytas // Annu. Rev. Plant Biol. - 2013. - Vol. 64.
- pp. 327-350.
31. Targeted deletion and inversion of tandemly arrayed genes in Arabidopsis thaliana using zinc finger nucleases / Y. Qi, X. Li, Y. Zhang [et al.] // G3: Genes, Genomes, Genetics. - 2013. - Vol. 3, Iss. 10. - P. 1707-1715.
32. TAL effector nucleases induce mutations at a pre-selected location in the genome of primary barley transformants / T. Wendt,
34
Сортовивчення та охорона прав на сорти рослин
P. Holm, C. Starker [et al.] // Plant Mol. Biol. - 2013. - Vol. 83, Iss. 3. - P. 279-285.
33. Voytas D. Precision genome engineering and agriculture: opportunities and regulatory challenges / D. Voytas, C. Gao // PLoS Biology. - 2014. - Vol. 12, Iss. 6. - e1001877.
34. Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases / V. Shukla, Y. Doyon, J. Miller [et al.] // Nature. - 2009. - Vol. 459. - pp. 437-441.
35. Creation of fragrant rice by targeted knockout of the OsBADH2 gene using TALEN technology / Q. Shan, Y. Zhang, K. Chen [et al.] // Plant Biotechnol. J. - 2015. - Vol. 13, Iss. 6. - P. 791-800.
36. Genome editing in rice and wheat using the CRISPR/Cas system / Q. Shan, Y. Wang, J. Li [et al.] // Nat. Protoc. - 2014. -Vol. 9. - pp. 2395-2410.
37. Using membrane transporters to improve crops for sustainable food production / J. Schroeder, E. Delhaize, W. Frommer [et al.] // Nature. - 2013. - Vol. 497, Iss. 7447. - pp. 60-66.
38. Precision genome editing in plants via gene targeting and piggyBac-mediated marker excision / A. Nishizawa-Yokoi, M. Endo, N. Ohtsuki [et al.] // Plant J. - 2015. - Vol. 81, Iss. 1. -pp. 160-168.
39. Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew / Y. Wang, X. Cheng, Q. Shan [et al.] // Nat. Biotechnol. - 2014. - Vol. 32, Iss. 9. - pp. 947-951.
References
1. Fraley, R. T., Rogers, S. G., Horsch, R. B., Sanders, P. R., Flick, J. S., Adams, S. P., ... Woo, S. C. (1983). Expression of bacterial genes in plant cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 80(15), 4803-4807.
2. Bruening, G., & Lyons, J. M. (2000). The case of the FLAVR SAVR tomato. California Agriculture, 54(4), 6-7.
3. Qaim, M. (2015). Genetically Modified Crops and Agricultural Development. Basingstoke, UK: Palgrave MacMillan.
4. Espinoza, C., Schlechter, R., Herrera, D., Torres, E., Serrano, A., Medina, C., & Arce-Johnson, P. (2013). Cisgenesis and Intragenesis: New tools for improving crops. Biol. Res., 46(4), 323-331.
5. Schouten, H. J., Krens, F. A., Jacobsen, E. (2006). Do cisgenic plants warrant less stringent oversight? Nat Biotechnol., 24(7), 753.
6. Telem, R. S., Wani, S. H., Singh, N. B., Nandini, R., Sadhukhan, R., Bhattacharya, S., & Mandal, N. (2013). Cisgenics - a sustainable approach for crop improvement. Curr Genomics, 14(7), 468-476.
7. Scientific opinion addressing the safety assessment of plants developed through cisgenesis and intragenesis (2012). EFSA Journal, 10(2), 2561-2594.
8. Rommens, C. M., Haring, M. A., Swords, K., Davies, H. V., & Belknap, W. R. (2007). The intragenic approach as a new extension to traditional plant breeding. Trends Plant Sci, 12(9), 397-403.
9. Sticklen, M. (2015). Transgenic, cisgenic, intragenic and sub-genic crops. Adv Crop Sci Tech, 3(2): e123. doi: 10.4172/2329-8863.1000e123.
10. Park, S. H., Meib, C., Paulyce, M., Ongd, R. G., Daled B. E., Sabzikara, R., ... Sticklen, M. (2012). Down-regulation of maize cinnamoyl-CoA reductase via RNAi technology causes brown midrib and improves AFEXTM-pretreated conversion into fermentable sugars for biofuels. Crop Sci., 52(6), 2687-2701.
11. Rommens, C. M., Yan, H., Swords, K., Richael, C., & Ye, J. (2008). Low-acrylamide French fries and potato chips. Plant Biotechnol J., 6(8), 843-853
12. Haverkort, A. J., Struik, P. C., Visser, R. G. F., & Jacobsen, E. (2009). Applied biotechnology to combat late blight in potato caused by phytophthora infestans. Potato Research, 52(3), 249-264.
13. Chawla, R., Shakya, R., & Rommens, C. (2012). Tuber-specific silencing of asparagine synthetase-1 reduces the acrylamide-forming potential of potatoes grown in the field without affecting tuber shape and yield. Plant Biotechnol. J., 10(8), 913-924.
14. Joshi, S. G., Schaart, J. G., Groenwold, R., Jacobsen, E., Schouten, H. J., & Krens, F. A. (2011). Functional analysis and
expression profiling of HcrVf1 and HcrVf2 for development of scab resistant cisgenic and intragenic apples. Plant Mol. Biol., 75(6), 579-591.
15. Vanblaere, T., Szankowski, I., Schaart, J., Schouten, H., Flachowsky, H., Broggini, G. A., & Gessler, C. (2011). The development of a cisgenic apple plant. J Biotechnol., 154(4), 304-311.
16. Schaart, J. G., Krens, F. A., Pelgrom, K. T., Mendes, 0, & Rouwendal, G. J. (2004). Effective production of marker-free transgenic strawberry plants using inducible site-specific recombination and a bifunctional selectable marker gene. Plant Biotechnol. J., 2(3), 233-240.
17. Weeks, J. T., Ye, J., & Rommens, C. M. (2008). Development of an in planta method for transformation of alfalfa (Medicago sativa). Transgenic Res., 17(4), 587-597.
18. Bajaj, S., Puthigae, S., Templeton, K., Bryant, C., Gill, G., Lomba, P., ... Hanley, Z. (2008). Towards engineering drought tolerance in
perennial ryegrass using its own genome. 6th Canadian plant genomics workshop, Toronto, June 23-26 (p. 62).
19. Han, K. M., Dharmawardhana, P., Arias, R. S., Ma, C., Busov, V., & Strauss, S. H. (2011). Gibberellin-associated cisgenes modify growth, stature and wood properties in Populus. Plant Biotechnol. J., 9(2), 162-178.
20. Holme, I. B., Dionisio, G., Brinch-Pedersen, H., Wendt, T., Madsen, C. K., Vincze, E., & Holm, P. B. (2012). Cisgenic barley with improved phytase activity. Plant Biotechnol. J., 10(2), 237-247.
21. Gadaleta, A., Giancaspro, A., Blechl, A., & Blanco, A. (2008). A transgenic durum wheat line that is free of marker genes and expresses 1DY10. J. Cereal Sci., 48(2), 439-445.
22. de Vetten, N., Wolters, A.M., Raemakers, K., van der Meer, I., ter Stege, R., Heeres, ... Visser, R. (2003). A transformation method for obtaining marker-free plants of a cross-pollinating and vegetatively propagated crop. Nat Biotechnol., 21(4), 439442.
23. Holme, I. B., Wendt, T., & Holm, P. B. (2013). Intragenesis and cisgenesis as alternatives to transgenic crop development. Plant Biotechnol. J., 11(4), 395-407.
24. Rommens, C. M., Humara,, J. M., Ye, J., Yan, H., Richael, C., Zhang, L., ... Swords, K. (2004). Crop improvement through modification of
the plant's own genome. Plant Physiol., 135(1), 421-431.
25. Kawchuk, L. M. , Armstrong, J. D., Lynch, D. R., & Knowles N. R., inventors (1999). Potatoes having improved quality characteristics and methods for their production. US patent application. US 5998701.
26. Rommens, C.M., Ye, J., Richael, C., & Swords, K. (2006). Improving Potato Improving potato storage and processing characteristics through all-native DNA transformation. J. Agric. Food Chem., 54(26), P. 9882-9887.
27. Park, T. H., Vleeshouwers, V. G. A. A., Jacobsen, E., van Der Vossen, E., & Visser, R. G. F. (2009). Molecular breeding for resistance to Phytophthora infestans (Mont.) de Bary in potato (Solanum tuberosum L.): a perspective of cisgenesis. Plant Breeding, 128(2), 109-117.
28. Website Wageningen UR (University & Research centre). (n.d.). Retrieved from http://www.wageningenur.nl/en/Expertise-Services/Research-Institutes/plant-research-international/ DuRPh.htm.
29. Carroll, D. (2011). Genome engineering with zinc-finger. Genetics, 188(4), 773-782.
30. Voytas, D. (2013). Plant genome engineering with sequence-specific nucleases. Annu. Rev. Plant Biol., 64, 327-350.
31. Qi, Y., Li, X., Zhang, Y., Starker, C. G., Baltes, N.J., Zhang, F., ... Voytas, D. F. (2013). Targeted deletion and inversion of tandem ly arrayed genes in Arabidopsis thaliana using zinc finger nucleases. G3: Genes, Genomes, Genetics, 3(10), 1707-1715.
32. Wendt, T., Holm, P. B., Starker, C. G., Christian, M., Voytas, D. F., Brinch-Pedersen, H., Holme, I. B. (2013). TAL effector nucleases induce mutations at a pre-selected location in the genome of primary barley transformants. Plant Mol. Biol., 83(3), 279-285.
33. Voytas, D. F., Gao, C. (2014). Precision genome engineering and agriculture: opportunities and regulatory challenges. PLoS Biol, 12(6), e1001877.
34. Shukla, V. K., Doyon, Y., Miller, J. C., DeKelver, R. C., Moehle, E. A., Worden, S. E. ... F. D. Urnov (2009). Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases. Nature, 459(7245), 437-441.
35. Wang, Y., Cheng, X., Shan, Q., Zhang K., & Gao, C. (2015). Creation of fragrant rice by targeted knockout of the OsBADH2 gene using TALEN technology. Plant Biotechnol. J., 13(6), 791-800.
36. Shan. Q., Wang, Y., Li, J., & Gao, C. (2014). Genome editing in rice and wheat using the CRISPR/Cas system. Nat. Protoc., 9, 2395-2410.
37. Schroeder, J. I., Delhaize, E., Frommer, W. B., Lou Guerinot, M., Harrison, M. J., Herrera-Estrella, L., ... Sanders, D. (2013). Using membrane transporters to improve crops for sustainable food production. Nature, 497(7447), 60-66.
38. Nishizawa-Yokoi, A., Endo, M., Ohtsuki, N., Saika, H., & Toki, S. (2015). Precision genome editing in plants via gene targeting and piggyBac-mediated marker excision. Plant J., 81(1), 160-168.
39. Wang, Y., Cheng, X., Shan, Q., Zhang, Y., Liu, J., Gao, C., & Qiu, J. L. (2014). Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew. Nat Biotechnol., 32(9), 947-951.
УДК 577.21:575.22:581.6
Н. Э. Волкова. Цис-, интра-, субгенез, геномное редактирование геномов сельскохозяйственных культур
Цель. Обзор литературы о современных технологиях генетической модификации геномов сельскохозяйственных культур. Результаты. Проанализировано современное состояние создания генетически модифицированных растений. Приведена информация о цис-, интра- и субгенных растениях и их сравнение с трансгенными культурами. Представлены примеры применения цис- и интрагенеза для улучшения признаков сельскохозяйственных культур. Рассмотрена самая современная технология модификации геномов сельско-
передовые технологи модификации
хозяйственных культур - геномное редактирование. Выводы. Технологии создания цис, интра-, субгенних растений быстро развиваются и внедряется в сельскохозяйственных культурах XXI века, что может решить проблему обеспечения продовольствием постоянно растущего населения мира с наименьшими противоречиями общественных интересов.
Ключевые слова: генетическая модификация, цис-генез, интрагенез, субгенез, геномное редактирование, сельскохозяйственные культуры.
UDC 577.21: 575.22: 581.6
N. E. Volkova. Cis-, intra-, subgenesis, genome editing as modern technologies for modifying the crop genomes (review)
Purpose. Reviewing the literature on modern technologies of genetic modification of crop genomes. Results. The current state of genetically modified plants creation is analyzed. The information on cis-, intra- and subgenic plants and their comparison with transgenic crops is given. Examples of cis- and intragenesis application for improving characteristics of crops are provided. Such state-of-the-art technology of crop genome modification as genome editing
is considered. Conclusions. Technologies for producing cis-, intra-, subgenic plants are rapidly developing and resulting in crops of the 21st century that can solve the problem of food provision for a constantly growing world population with the least contrary to the public interest.
Keywords: genetic modification, cisgenesis, intragenesis, subgenesis, genome editing, crops.
Hadiüuina 03.12.2015
36
Сортовивчення та oxopoha прав ня сорти рослин
