Генно-модифицированный томат — источник витамина D

Обсудить на форуме - Помощь проекту

С помощью системы CRISPR-Cas9 международная группа ученых получила линию томатов, которые накапливают провитамин D3 в листьях и плодах. Один плод может обеспечить до 30% суточной нормы витамина.

 

Credit:
123rf.com

Более миллиарда людей по всему миру испытывают недостаток в витамине D, что приводит к нарушению развития скелета, повышенному риску рака, нейродегенеративных и инфекционных заболеваний. Витамин D может синтезироваться в организме человека под воздействием средневолнового ультрафиолета B (UVB) из предшественника 7-дегидрохолестерола (7-DHC, провитамина D3), однако основным его источником остается пища животного происхождения. Международная группа ученых под руководством профессора Кэти Мартин из Центра Джона Иннеса в Великобритании создала линию томатов, которые могут служить растительным источником витамина D.

У некоторых растений провитамин D3 служит промежуточным соединением в биосинтезе холестерола и стероидных гликоалкалоидов — соединений, играющих у растений защитные функции. У томата 7-DHC был обнаружен в листьях; в незрелых плодах он быстро превращается в алкалоиды томатины, а при созревании — в эскулеозиды. Другими важными стероидными соединениями растений являются фитогормоны брассиностероиды, регулирующие их рост и развитие. У семейства пасленовых, к которому принадлежат томаты, произошла дупликация генов стероидного метаболизма, что разделило ферменты биосинтеза стероидных алкалоидов и фитогормонов. Благодаря этому ученые получили возможность генетически вмешаться в эти метаболические пути и искусственно стимулировать накопление провитамина D3 в плодах без ущерба росту растения.

За превращение 7-DHC в холестерол и затем в альфа-томатин отвечает особая изоформа фермента 7-дегидрохолестеролредуктазы — Sl7-DR2. Логично предположить, что подавление активности гена этого фермента приведет к накоплению 7-DHC в плодах. Для этого исследователи использовали систему CRISPR-Cas9. Они создали две гидовые РНК, комплементарные второму экзону гена, и получили во втором поколении гомозиготных мутантов с потерей функции фермента, но не несущих ген Cas9 (это необходимо, чтобы избежать последующих геномных перестроек).

Как и предполагалось, мутанты не имели нарушений в росте и развитии, так как мутация не затрагивает биосинтез брассиностероидов. Уровень провитамина D3 в листьях и незрелых плодах был значительно выше, чем у растений дикого типа.

В зрелых плодах уровень провитамина снижался. Тем не менее в одном зрелом помидоре оставалось столько же 7-DHC, сколько и в 28 граммах тунца или в двух средних куриных яйцах (если конвертировать провитамин в витамин D3).

Авторы оценили уровни стероидных метаболитов в тканях плода методом визуализации матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (MALDI imaging). Уровень 7-DHC повысился и в мякоти, и в кожице плода. Уровни альфа-томатина и эскулеозида А снизились, что может улучшать пищевые качества плода, так как томатины токсичны. Однако мутация так же повысила содержание в плодах и листьях холестерола.

Первая стадия превращения провитамина Dв биологически активный витамин D требует воздействия ультрафиолета. Ученые показали, что обработка ультрафиолетом листьев и плодов генетически модифицированных томатов вызывала конверсию, и содержание витамина в одном плоде составляло 20–30% от суточной нормы (2,8 мкг в сутки в Великобритании и 4,3 мкг в США).

Двойные пути биосинтеза стероидов присутствуют и в других культурных растениях семейства пасленовых — картофеле, баклажане, перце. Так как перцы можно потреблять зелеными, а накопление провитамина Dбыло выше в незрелых фотосинтезирующих плодах томата, возможно, эта культура более перспективна в качестве источника витамина. Кроме того, существуют мутации, повышающие проникающую способность ультрафиолета в ткани плода. Так, у розовых томатов нарушен синтез желтых пигментов хальконов в кожице, которые в норме поглощают ультрафиолет. В качестве сырья для производства витамина можно также использовать зеленые вегетативные части растений.

Схожая работа была почти одновременно проделана учеными из Южной Кореи. Они подтвердили, что у растений, содержащих только один общий путь биосинтеза фитостероидов (таких, как арабидопсис и салат латук), подавление активности гена 7-дегидрохолестеролредуктазы ведет к карликовости и нарушению развития. У томатов же редактирование не влияло на рост и позволяло достичь суточной нормы витамина D всего в одном помидоре.

Повышение уровня провитамина Dдемонстрирует большой потенциал биотехнологий в создании здоровой растительной диеты. Однако необходимы дополнительные исследования метаболических путей томата, защитной функции алкалоидов для растений и связи с устойчивостью томатов к изменениям окружающей среды.

Источник

Li J., et al. Biofortified tomatoes provide a new route to vitamin D sufficiency // Nature Plants, 23 May 2022. DOI: 10.1038/s41477-022-01154-6