Исследователи впервые успешно продемонстрировали точное редактирование генов у мискантуса, перспективной многолетней культуры для устойчивого производства биоэнергии.
Команда Центра передовых инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) отредактировала геномы трех видов мискантуса, используя CRISPR/Cas9 — гораздо более целенаправленный и эффективный способ создания новых сортов, чем предыдущие методы.
Результаты ускорят усилия по использованию огромного потенциала этой высокопродуктивной, но генетически сложной травы в качестве источника биотоплива, возобновляемых биопродуктов и связывания углерода. Исследование, опубликованное в журнале « Биотехнология для биотоплива и биопродуктов », было проведено тремя исследователями мискантуса CABBI из Института биотехнологии HudsonAlpha в Алабаме — научным сотрудником Канкшитой Сваминатан, научным сотрудником Энтони Триу и бывшим научным сотрудником с докторской степенью Мохаммадом Белаффифом — и Нэнси Райхерт, профессором биологии. наук в Университете штата Миссисипи.
Сваминатан был одним из руководителей международной группы, секвенировавшей геном мискантуса в 2020 году. Эта работа предоставила исследователям дорожную карту, изучающую новые способы максимизации продуктивности растения и расшифровки генетической основы его желаемых признаков. Мискантус чрезвычайно адаптируется и легко растет. Он может расти на маргинальных землях, требует ограниченного количества удобрений, обладает высокой устойчивостью к засухе и низким температурам и использует более эффективную форму фотосинтеза С4.
На сегодняшний день усилия по генетическому улучшению мискантуса были сосредоточены на трансформации растений путем введения внешних генов в случайные места в их геномах, а не нацеливании на определенные участки или модификации существующих генов.
Команда CABBI разработала процедуры редактирования генов с использованием CRISPR/Cas9, которые позволят исследователям выборочно нацеливаться на существующие гены в растениях мискантуса, чтобы отключить или изменить их функцию и ввести новые гены в точно определенные места. Эта способность нацеливания открывает новые возможности для генетического улучшения этой важной культуры биомассы.
Исследование продемонстрировало редактирование генов у трех видов мискантуса — высокопродуктивного Miscanthus x giganteus , который выращивается в коммерческих целях для получения биоэнергии, и его родителей, M. sacchariflorus и M. sinensis . Поскольку эти растения являются палеополиплоидами — с дупликацией древней ДНК, похожей на сорго, и множественными наборами хромосом, — дизайн направляющих РНК, которые определяют местонахождение генетического материала для редактирования, необходим для нацеливания на все копии гена, для учета избыточности и обеспечения полного соответствия. «выбить.»
Исследователи CABBI основывались на аналогичном редактировании генов Zea mays (кукуруза), которое определило ген лимонного белого 1 (lw1) как полезную мишень для визуального подтверждения генетических изменений. Этот ген участвует в биосинтезе хлорофилла и каротиноидов, который влияет на цвет листьев , а предыдущие исследования показали, что редактирование lw1 с помощью CRISPR/Cas9 приводит к бледно-зеленым/желтым, полосатым или белым фенотипам листьев.
Используя информацию о последовательности как мискантуса, так и сорго, исследователи определили направляющие РНК, которые могут нацеливаться на гомеологи или дублированные копии гена lw1 в тканях растения мискантуса. Листья на отредактированных растениях мискантуса демонстрировали те же фенотипы, что и у кукурузы, с бледно-зелеными/желтыми, полосатыми или белыми листьями вместо типичных зеленых.
Работа расширяет миссию CABBI по развитию устойчивого производства биоэнергии и разработке избранного сырья (мискантус, сорго и сахарный тростник) для производства новых биопродуктов, таких как масла и специальные химикаты. До этого исследования биоинженерные работы ограничивались сорго и тростником, потому что методы точной инженерии мискантуса не были разработаны.
«Выявление трансформируемой зародышевой плазмы, разработка надежных методов трансформации и демонстрация редактирования генов в мискантусе — все это важные шаги на пути к инженерии пути в мискантусе», — сказал Сваминатан. «Возможность точного редактирования мискантуса для повышения производительности, обеспечения непрерывного роста на малоплодородных землях и производства специальных химикатов, таких как масла, поможет исключить «потенциал» из его статуса жизнеспособной биоэнергетической культуры.
«Это исследование помогает нам приблизиться на несколько шагов к сокращению нашей зависимости от нефтяной энергии».
Чтобы определить линии мискантуса, которые хорошо трансформировались, исследователи проверили зародышевую плазму от коммерческих поставщиков и сотрудников исследования. Большинство линий были предоставлены соавтором Эриком Саксом, профессором растениеводства Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, который собирал зародышевую плазму со всего мира. Сакс и Сваминатан являются заместителями руководителей тематических исследований CABBI в области производства сырья.
«Этот исследовательский проект был результатом тесного сотрудничества между несколькими учреждениями, в котором исследователи работали в разных дисциплинах для достижения важной цели. Он укрепил подход «общей картины» к исследованиям в CABBI, а также в других BRC», — сказал Рейхерт.
