Od czasu rewolucji rolniczej ludzkość dąży do ulepszania odmian roślin poprzez różnorodność genetyczną. Jednak do niedawna nasze rozumienie ograniczało się do funkcji poszczególnych genów, które stanowią zaledwie 20% genomu. Pozostałe 80%, składające się z genów zgrupowanych w rodziny, pozostawało tajemnicą na dużą skalę genomową.

W ramach przełomowego osiągnięcia naukowcy z Uniwersytetu w Tel Awiwie wykorzystali moc technologii CRISPR do opracowania innowacyjnej i skalowalnej metody modyfikacji genetycznej. Ten przełom pozwala nam odkryć role i cechy zduplikowanych genów w roślinach. W rezultacie zespół z powodzeniem zidentyfikował wiele przeoczonych cech, torując drogę dla rewolucyjnego podejścia do ulepszania upraw. To niezwykłe osiągnięcie może zrewolucjonizować praktyki rolnicze w szerokim zakresie upraw i cech, w tym zwiększone plony i zwiększoną odporność na susze i szkodniki.

Przezwyciężanie redundancji genetycznej
Te przełomowe badania prowadził doktorant dr Yangjie Hu pod kierunkiem prof. Eilona Shani i prof. Itaya Mayrose’a ze Szkoły Nauk o Roślinach i Bezpieczeństwa Żywności na Wydziale Nauk Przyrodniczych im. George’a S. Wise’a TAU. Współpracując z naukowcami z Francji, Danii i Szwajcarii, zespół wykorzystał technologię edycji genów CRISPR wraz z metodami bioinformatycznymi i genetyki molekularnej, aby opracować tę nowatorską metodę lokalizacji genów. Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Plants.

„Chcieliśmy zastosować tę technikę, aby poprawić kontrolę tworzenia mutacji w roślinach w celu udoskonalenia rolnictwa, a konkretnie w celu przezwyciężenia powszechnego ograniczenia wynikającego z redundancji genetycznej” – powiedział prof. Itay Mayrose.

Redundancja genetyczna, powodowana przez rodziny genów, od dawna stanowi wyzwanie w badaniach nad roślinami. Dotychczasowe metody interwencji genetycznej ograniczała niemożność precyzyjnego zidentyfikowania genów odpowiedzialnych za określone cechy. Przyjętą metodą sprostania temu wyzwaniu jest wytwarzanie mutacji, to znaczy modyfikowanie genów na różne sposoby, a następnie badanie zmian cech roślin w wyniku mutacji w DNA i uczenie się na tej podstawie funkcji gen.

Tak więc, na przykład, jeśli rozwija się roślina o słodszych owocach, można wnioskować, że zmieniony gen decyduje o słodkości owoców. Ta strategia jest stosowana od dziesięcioleci i jest bardzo skuteczna, ale ma też fundamentalny problem: przeciętna roślina, taka jak pomidor czy ryż, ma około 30 000 genów, ale około 80% z nich nie działa samodzielnie, ale jest zgrupowanych w rodzinach podobne geny. Dlatego jeśli pojedynczy gen z określonej rodziny genów jest zmutowany, istnieje duże prawdopodobieństwo, że inny gen z tej samej rodziny (właściwie kopia bardzo podobna do zmutowanego genu) zamaskuje fenotypy w miejsce zmutowanego genu. Ze względu na to zjawisko, zwane redundancją genetyczną, trudno jest wywołać zmianę w samej roślinie oraz określić funkcję genu i jego powiązanie z określoną cechą.

Zespół sprostał temu wyzwaniu, wykorzystując CRISPR i projektując sekwencje sgRNA, które kierują enzymem zwanym Cas9, występującym naturalnie w bakteriach, w celu cięcia określonych sekwencji genetycznych związanych z całymi rodzinami genów. Prof. Mayrose wyjaśnia, że ​​„ta metoda edycji genetycznej pozwala nam projektować różne sekwencje sgRNA, aby Cas9 mógł ciąć prawie każdy gen, który chcemy zmienić. Chcieliśmy zastosować tę technikę, aby poprawić kontrolę tworzenia mutacji w roślinach do celów doskonalenie rolnictwa, a zwłaszcza przezwyciężenie wspólnego ograniczenia wynikającego z redundancji genetycznej”.

W pierwszym etapie przeprowadzono badanie bioinformatyczne na komputerze, które w przeciwieństwie do większości badań terenowych początkowo objęło cały genom. Naukowcy postanowili skupić się na roślinie Arabidopsis, która jest używana jako model w wielu badaniach i ma około 30 000 genów. Najpierw zidentyfikowali i wyizolowali około 8000 pojedynczych genów, które nie mają członków rodziny, a zatem nie mają kopii w genomie. Pozostałe 22 000 genów podzielono na rodziny i dla każdej rodziny zaprojektowano obliczeniowo odpowiednie sekwencje sgRNA. Każda sekwencja sgRNA została zaprojektowana tak, aby poprowadzić enzym tnący Cas9 do określonej sekwencji genetycznej, która charakteryzuje całą rodzinę, w celu stworzenia mutacji u wszystkich członków rodziny, tak aby te geny nie mogły już nakładać się na siebie. W ten sposób zbudowano bibliotekę, która liczyła łącznie około 59 000 sekwencji sgRNA, gdzie każdy sam sgRNA może jednocześnie modyfikować od 2 do 10 genów na raz z każdej rodziny genów, tym samym skutecznie neutralizując zjawisko redundancji genetycznej.

Ponadto sekwencje sgRNA podzielono na dziesięć podbibliotek po około 6000 sekwencji sgRNA każda, zgodnie z przypuszczalną rolą genów – taką jak kodowanie enzymów, receptorów, czynników transkrypcyjnych itp. Zdaniem naukowców utworzenie bibliotek pozwoliło im skoncentrować się i zoptymalizować poszukiwania genów odpowiedzialnych za pożądane cechy, poszukiwania, które do tej pory były w dużej mierze przypadkowe.

„Wierzymy, że to jest przyszłość rolnictwa: kontrolowane i ukierunkowane ulepszanie upraw na dużą skalę. Dziś z wielkim powodzeniem stosujemy opracowaną przez nas metodę do uprawy ryżu i pomidorów i zamierzamy zastosować ją również do innych upraw ”, powiedział prof. Eilon Shani.

W kolejnym kroku badacze przenieśli się od komputera do laboratorium. Tutaj wygenerowali wszystkie 59 000 sekwencji sgRNA zaprojektowanych metodą obliczeniową i wprowadzili je do nowych bibliotek plazmidów (tj. okrągłych segmentów DNA) w połączeniu z enzymem tnącym. Następnie naukowcy wygenerowali tysiące nowych roślin zawierających biblioteki – gdzie każdej roślinie wszczepiono pojedynczą sekwencję sgRNA skierowaną przeciwko określonej rodzinie genów.

Badacze obserwowali cechy, które przejawiały się w roślinach po modyfikacjach genomu, a kiedy zaobserwowano interesujący fenotyp w konkretnej roślinie, łatwo było ustalić, które geny były odpowiedzialne za zmianę na podstawie wstawionej do niej sekwencji sgRNA . Ponadto dzięki sekwencjonowaniu DNA zidentyfikowanych genów możliwe było określenie natury mutacji, która spowodowała zmianę, oraz jej wkładu w nowe właściwości rośliny.

W ten sposób zmapowano wiele nowych cech, które do tej pory były blokowane z powodu redundancji genetycznej. W szczególności naukowcy zidentyfikowali określone białka, które obejmują mechanizm związany z transportem hormonu cytokininy, który jest niezbędny do optymalnego rozwoju roślin.

Komercjalizacja i przyszły wpływ
Prof. Shani podsumowuje: „Oczekuje się, że nowa metoda, którą opracowaliśmy, będzie bardzo pomocna w badaniach podstawowych w zrozumieniu procesów zachodzących w roślinach, ale poza tym ma ogromne znaczenie dla rolnictwa: umożliwia skuteczne i dokładne ujawnienie puli geny odpowiedzialne za cechy, które staramy się ulepszać – takie jak odporność na susze, szkodniki i choroby, czy zwiększanie plonów.Wierzymy, że taka jest przyszłość rolnictwa: kontrolowane i ukierunkowane ulepszanie upraw na dużą skalę.Dzisiaj stosujemy tę metodę opracowaliśmy z wielkim sukcesem uprawę ryżu i pomidorów i zamierzamy zastosować ją również do innych upraw”.

Uznając transformacyjny potencjał tego przełomu, firma zajmująca się komercjalizacją technologii Uniwersytetu w Tel Awiwie, Ramot, nawiązała współpracę z grupą AgChimedes, aby założyć DisTree, firmę zajmującą się stosowaniem tej technologii w różnych uprawach. Ta współpraca, wraz z inwestycjami finansowymi i profesjonalnym wsparciem, ma na celu zrewolucjonizowanie genetyki rolniczej i zapewnienie bezpieczeństwa żywieniowego w obliczu kryzysów klimatycznych.

Źródło: english.tau.ac.il