Po raz pierwszy naukowcom udało się zademonstrować precyzyjną edycję genów miskanta, obiecującej wieloletniej rośliny uprawnej do zrównoważonej produkcji bioenergii.

Zespół z Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), Centrum Badań nad Bioenergią (BRC) finansowanego przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, zredagował genomy trzech gatunków miskanta za pomocą CRISPR/Cas9 — o wiele bardziej ukierunkowanego i wydajnego sposobu opracować nowe odmiany niż wcześniejsze metody.

Wyniki przyspieszą wysiłki mające na celu wykorzystanie ogromnego potencjału tej wysoce produktywnej, ale złożonej genetycznie trawy jako źródła biopaliw, bioproduktów odnawialnych i sekwestracji dwutlenku węgla. Badanie, opublikowane w Biotechnologia Biopaliw i Bioproduktów, był prowadzony przez trzech badaczy CABBI miscanthus w HudsonAlpha Institute for Biotechnology w Alabamie — badacza wydziału Kankshita Swaminathan, pracownik naukowy Anthony Trieu i były badacz ze stopniem doktora Mohammad Belaffif — oraz Nancy Reichert, profesor nauk biologicznych na Uniwersytecie Stanowym Mississippi.

Swaminathan był współkierownikiem międzynarodowego zespołu, który w 2020 r. zsekwencjonował genom miskanta. Ta praca dostarczyła badaczom mapy drogowej badającej nowe sposoby maksymalizacji produktywności rośliny i rozszyfrowania genetycznych podstaw jej pożądanych cech. Miskant jest niezwykle elastyczny i łatwy w uprawie. Może rozwijać się na gruntach marginalnych, wymaga ograniczonego nawożenia, ma wysoką tolerancję na suszę i niskie temperatury oraz wykorzystuje bardziej wydajną formę fotosyntezy C4.

Do tej pory wysiłki zmierzające do genetycznego ulepszenia miskanta koncentrowały się na przekształcaniu roślin poprzez wprowadzanie zewnętrznych genów w losowych miejscach ich genomów, zamiast celowania w określone miejsca lub modyfikowania istniejących genów.

Zespół CABBI opracował procedury edycji genów przy użyciu CRISPR/Cas9, które pozwolą naukowcom selektywnie celować w istniejące geny w roślinach miskanta w celu wyeliminowania lub zmodyfikowania ich funkcji i wprowadzenia nowych genów w ściśle określone miejsca. Ta umiejętność celowania stanowi nową drogę do genetycznego ulepszenia tej ważnej uprawy biomasy.

Badanie wykazało edycję genów u trzech gatunków miskanta — wysoce produktywnego Miscanthus x giganteusktóry jest uprawiany komercyjnie dla bioenergii, i jego rodzice, M. sacchariflorus oraz M. sinensis. Ponieważ rośliny te są paleopoliploidalnymi — ze zduplikowanym starożytnym DNA przypominającym sorgo i wieloma zestawami chromosomów — projekt przewodnich RNA, które lokalizują materiał genetyczny do edycji, był potrzebny do ukierunkowania wszystkich kopii genu, uwzględnienia redundancji i zapewnienia pełnego „Nokaut.”

Naukowcy CABBI oparli się na podobnej edycji genów w Zea mays (kukurydza), który zidentyfikował gen Lemon White 1 (lw1) jako pomocny cel dla wizualnego potwierdzenia zmian genetycznych. Gen ten bierze udział w biosyntezie chlorofilu i karotenoidów, co wpływa na kolor liści, a wcześniejsze badania wykazały, że edycja lw1 za pomocą CRISPR/Cas9 dała fenotypy bladozielonych/żółtych, pasiastych lub białych liści.

Wykorzystując informacje o sekwencji zarówno z miskanta, jak i sorgo, naukowcy zidentyfikowali przewodnie RNA, które mogłyby kierować homeologami lub zduplikowanymi kopiami genów lw1 w tkance rośliny miskanta. Liście edytowanych roślin miskanta wykazywały te same fenotypy co kukurydza, z bladozielonymi/żółtymi, pasiastymi lub białymi liśćmi zamiast typowej zieleni.

Prace wzmacniają misję CABBI polegającą na rozwijaniu zrównoważonej produkcji bioenergii i inżynierii wybranych surowców (miskant, sorgo i trzcina cukrowa) do produkcji nowych bioproduktów, takich jak oleje i specjalistyczne chemikalia. Przed tymi badaniami prace bioinżynieryjne ograniczały się do sorgo i trzciny cukrowej, ponieważ nie opracowano metod precyzyjnej inżynierii miskanta.

„Zidentyfikowanie transformowalnej plazmy zarodkowej, opracowanie niezawodnych metod transformacji i wykazanie edycji genów miskanta to kluczowe kroki w kierunku inżynierii szlaków miskanta” – powiedział Swaminathan. „Możliwość precyzyjnej edycji miskanta w celu zwiększenia produktywności, umożliwienia dalszego wzrostu na gruntach marginalnych oraz produkcji specjalistycznych chemikaliów, takich jak oleje, pomoże usunąć „potencjał” z jego statusu opłacalnej uprawy bioenergetycznej.

„Te badania pomagają nam zbliżyć się o kilka kroków do zmniejszenia naszej zależności od energii opartej na ropie naftowej”.

Aby zidentyfikować linie miskanta, które dobrze się przekształciły, naukowcy przeszukali plazmę zarodkową od komercyjnych sprzedawców i współpracowników badania. Większość linii została dostarczona przez współautora Erika Sacksa, profesora nauk o uprawach na University of Illinois Urbana-Champaign, który zebrał plazmę zarodkową z całego świata. Sacks i Swaminathan są zastępcami liderów tematycznych w badaniach CABBI dotyczących produkcji surowców.

„Ten projekt badawczy był wysoce wspólnym, wieloinstytucjonalnym wysiłkiem naukowców pracujących z różnych dyscyplin, aby osiągnąć ważny cel. Wzmocniło to podejście do badań w ramach „szerszego obrazu” w ramach CABBI, jak również w innych BRC”, powiedział Reichert.

Odniesienie: Trieu A, Belaffif MB, Hirannaiah P i in. Transformacja i edycja genów w trawie bioenergetycznej miskant. Biotechnologia Biopaliwo Bioprod. 2022;15(1):148. doi: 10.1186/s13068-022-02241-8

Ten artykuł został ponownie opublikowany z następujących materiałów. Uwaga: materiał mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z cytowanym źródłem.