UPTON, NY — Wysiłki mające na celu osiągnięcie zerowej emisji dwutlenku węgla netto z paliw transportowych zwiększają zapotrzebowanie na olej produkowany z upraw niespożywczych. Rośliny te wykorzystują światło słoneczne do napędzania konwersji atmosferycznego dwutlenku węgla w olej, który gromadzi się w nasionach. Hodowcy upraw zainteresowani wyborem roślin wytwarzających dużo oleju szukają żółtych nasion. W przypadku roślin oleistych, takich jak rzepak, odmiany o nasionach żółtych zazwyczaj wytwarzają więcej oleju niż ich odpowiedniki o nasionach brązowych. Powód: białko odpowiedzialne za brązową barwę nasion – którego brakuje roślinom o żółtych nasionach – odgrywa również kluczową rolę w produkcji oleju.

Teraz biochemicy roślin z Narodowego Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), którzy są zainteresowani zwiększeniem syntezy olejów roślinnych na potrzeby zrównoważonej produkcji biopaliw i innych bioproduktów, wykorzystali tę wiedzę do stworzenia nowej, wysokowydajnej odmiany roślin oleistych. W artykule opublikowanym właśnie w Dziennik biotechnologii roślin, opisują, jak wykorzystali narzędzia współczesnej genetyki do wyhodowania odmiany o żółtych nasionach Camelina sativabliski krewny rzepaku, który gromadzi o 21,4% więcej oleju niż zwykła lnianka.

„Jeśli hodowcom uda się uzyskać kilkuprocentowy wzrost produkcji oleju, uważają to za znaczące, ponieważ nawet niewielki wzrost plonów może prowadzić do dużego wzrostu produkcji oleju w przypadku upraw na milionach akrów” – powiedział biochemik z Brookhaven Lab, John Shanklin, kierownik Wydziału Biologii laboratorium i kierownik programu badań nad olejami roślinnymi. „Nasz wzrost o prawie 22% był nieoczekiwany i mógł potencjalnie skutkować dramatycznym wzrostem produkcji” – powiedział.

Prosty pomysł, niezwykła roślina

Pomysł stojący za opracowaniem tej wysokowydajnej odmiany lnicznika był prosty: naśladować to, co dzieje się w naturalnie występujących, wysokowydajnych odmianach rzepaku o żółtych nasionach.

„Hodowcy zidentyfikowali rośliny zawierające więcej oleju i tak się złożyło, że niektóre z nich miały żółte nasiona, i tak naprawdę nie przejmowali się mechanizmem” – powiedział Shanklin. Kiedy jednak naukowcy odkryli gen odpowiedzialny zarówno za żółty kolor nasion, jak i zwiększoną zawartość oleju, znaleźli sposób na potencjalne zwiększenie wydajności oleju u innych gatunków.

Gen zawiera instrukcje dotyczące wytwarzania białka zwanego Przezroczysta Testa 8 (TT8), która kontroluje między innymi produkcję związków nadających nasionom brązową barwę. Co ważne, TT8 hamuje także niektóre geny biorące udział w syntezie oleju.

Xiao-Hong Yu, który kierował tym projektem, postawił hipotezę, że pozbycie się TT8 w lniance powinno zwolnić hamowanie syntezy oleju i uwolnić część węgla, który można skierować do produkcji ropy.

Pozbycie się pojedynczego genu u lnicznika jest bardzo trudne, ponieważ roślina ta jest niezwykła wśród żywych istot. Zamiast dwóch zestawów chromosomów – co oznacza dwie kopie każdego genu – ma sześć zestawów.

„Ten «heksaploidalny» genom wyjaśnia, dlaczego nie ma żadnych naturalnie występujących odmian lniankowatych o żółtych nasionach” – wyjaśnił Yu. „Jest bardzo mało prawdopodobne, aby mutacje pojawiły się jednocześnie we wszystkich sześciu kopiach TT8 i całkowicie zakłóciły jego funkcję”.

Edycja genów uderza w ropę

Dzięki narzędziom współczesnej genetyki zespołowi z Brookhaven udało się znokautować wszystkie sześć kopii TT8. Wykorzystali technologię edycji genów znaną jako CRISPR/Cas9, aby celować w określone sekwencje DNA w obrębie genów TT8. Wykorzystali tę technologię do rozcięcia DNA w tych miejscach, a następnie stworzenia mutacji, które dezaktywowały geny. Następnie Yu i zespół przeprowadzili serię analiz biochemicznych i genetycznych, aby monitorować skutki ukierunkowanej edycji genów.

„Fenotyp żółtych nasion, którego szukaliśmy, był świetnym wizualnym przewodnikiem podczas naszych poszukiwań” – powiedział Yu. „Pomogło nam to znaleźć nasiona, których szukaliśmy, przesiewając mniej niż 100 roślin, wśród których zidentyfikowaliśmy trzy niezależnie występujące linie, w których wszystkie sześć genów zostało uszkodzonych”.

Wyniki: Kolor okrywy nasion zmienił się z brązowego na żółty tylko u roślin, u których wszystkie sześć kopii genu TT8 uległo uszkodzeniu. Żółte nasiona miały niższy poziom związków „flawonoidowych” i „śluzu” – oba normalnie wytwarzane na szlakach biochemicznych kontrolowanych przez TT8 – niż brązowe nasiona odmian lniankowatych o nieedytowanych genomach.

Ponadto wiele genów zaangażowanych w syntezę oleju i produkcję kwasów tłuszczowych, elementów budulcowych oleju, ulegało ekspresji na podwyższonym poziomie w nasionach roślin poddanych edycji CRISPR/Cas9. Spowodowało to dramatyczny wzrost akumulacji ropy. Zmodyfikowane nasiona zawierały kolejną pozytywną niespodziankę, polegającą na tym, że poziom białek i skrobi pozostał niezmieniony.

Ukierunkowane mutacje w TT8 zostały odziedziczone w kolejnych pokoleniach lnianków, co sugeruje, że ulepszenia będą stabilne i długotrwałe.

„Nasze wyniki pokazują potencjał tworzenia nowych linii lniczników poprzez edycję genów, w tym przypadku manipulację TT8 w celu zwiększenia biosyntezy oleju. Zrozumienie dalszych szczegółów dotyczących sposobu, w jaki TT8 i inne czynniki kontrolują szlaki biochemiczne, może dostarczyć dodatkowych celów genowych w celu zwiększenia uzysku ropy” – powiedział Shanklin.

Badania te zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe DOE — częściowo w ramach projektu znanego jako „Wzmocnienie produkcji nasion lniankowatych za pomocą minimalnego nawożenia azotem w zrównoważonych systemach upraw” kierowanego przez Uniwersytet Stanowy w Montanie; Centrum Zaawansowanych Innowacji Bioenergii i Bioproduktów (CABBI), Centrum Badań nad Bioenergią finansowane przez DOE, kierowane przez Uniwersytet Illinois Urbana-Champaign; oraz program Physical Biosciences w Brookhaven Lab. Do badań włączyli się także studenci wspierani przez Biuro Naukowe. Ponadto naukowcy wykorzystali mikroskop konfokalny w Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnych (CFN), które działa jako placówka użytkownika DOE Office of Science w Brookhaven Lab.

Laboratorium Narodowe Brookhaven jest wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Biuro Nauki jest największym sponsorem badań podstawowych w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Więcej informacji można znaleźć na stronie science.energy.gov.

Obserwuj @BrookhavenLab w mediach społecznościowych. Znajdź nas na Instagramie, LinkedIn, Xi Facebooka.

powiązane linki