Большинство из нас чувствуют неприятную дрожь, когда говорят о генетической модификации растений, которые мы едим. Мы думаем об изменении сложных механизмов, которые могут иметь далеко идущие, неизвестные последствия. А что, если бы все было гораздо проще? В новом исследовании ученые использовали систему генетических ножниц CRISPR/Cas9, чтобы изменить угол наклона листьев сахарного тростника, что позволило растению улавливать больше солнечного света. Это единственное изменение оказало большое влияние на количество производимой биомассы.

Сахарное топливо

Сахарный тростник – одна из важнейших сельскохозяйственных культур в мире. Фактически, по урожайности биомассы это крупнейшая в мире культура: ежегодно производится почти 2 миллиарда тонн. Здесь производится 80% сахара, который используется во всем мире. Но есть еще одна причина, по которой ученые этим интересуются: биотопливо.

Поскольку завод по производству сахарного тростника довольно большой и очень эффективно использует воду, он является главным кандидатом для производства различных биопродуктов. Но, что особенно важно, он полезен при производстве биотоплива. В настоящее время сахарный тростник используется для производства почти 40% мирового биотоплива. Сторонники этой технологии говорят, что она потенциально может даже заменить авиационное топливо.

Есть еще одно преимущество использования сахарного тростника в качестве биотоплива вместо еды: наши предубеждения. Люди обычно очень устойчивы к употреблению в пищу генетически модифицированных продуктов. Но их меньше интересует, откуда берется их топливо (как мы, к сожалению, все видели во время продолжающегося климатического кризиса).

Гены и листья

Однако редактирование сахарного тростника – непростая задача. Большинство используемых сортов представляют собой гибриды двух растений (Сахарум лекарственный и Спонтанный сахар ), в результате чего число хромосом варьируется от 100 до 120. Эта генетическая сложность требует инновационных подходов к улучшению сельскохозяйственных культур.

Генетический состав сахарного тростника еще более сложен, поскольку он содержит множество копий каждого гена. Эта избыточность означает, что свойства сахарного тростника являются результатом совокупного воздействия этих нескольких копий генов. Но инструмент редактирования генов CRISPR/Cas9 (часто называемый «генетическими ножницами») идеально подходит для этой задачи. Его можно адаптировать для одновременной модификации либо небольшого, либо большого количества копий этих генов.

Исследователи из Университета Флориды использовали CRISPR/Cas9, чтобы сосредоточиться на гене LIGULELESS1 (LG1), который играет решающую роль в развитии язычков и ушных раковин листьев у трав.

Они хотели манипулировать этим геном, чтобы оптимизировать архитектуру кроны сахарного тростника. Используя систему CRISPR/Cas9, они нацелились на несколько копий гена LG1 в геноме сахарного тростника, вызывая мутации, которые приводили к изменению угла наклона листьев. Эти модификации позволили исследователям определить оптимальный угол наклона листьев для максимального улавливания света и увеличения выхода биомассы.

«В некоторых сахарных тростниках, отредактированных LG1, мы просто мутировали несколько копий», — сказал Фреди Альтпетер, руководитель исследовательской группы и профессор агрономии в Университете Флориды. «И при этом мы смогли адаптировать архитектуру листьев, пока не нашли оптимальный угол, который привел к увеличению выхода биомассы».

Строительная биомасса

Три трансгенные линии с разным уровнем совместного редактирования LG1 (12%, 53% и 95%) культивировали в тепличных и полевых условиях. Эти испытания показали, что по мере увеличения частоты совместного редактирования угол наклона листа становился более вертикальным. Наиболее заметные результаты наблюдались у линии с 12% совместным редактированием, что привело к уменьшению угла наклона листьев на 56% и увеличению выхода сухой биомассы на 18%.

Последствия этого исследования глубоки и могут стать важной вехой в редактировании сельскохозяйственных культур. Оно показывает, как генетический инструмент может оптимизировать архитектуру листьев, открывая новые захватывающие возможности для повышения урожайности биомассы, что является критическим фактором для многих различных сельскохозяйственных культур.

«Это первая рецензируемая публикация, описывающая полевые испытания сахарного тростника, отредактированного с помощью CRISPR», — сказал Альтпетер. «И эта работа также показывает уникальные возможности редактирования геномов полиплоидных культур, где исследователи могут точно настроить конкретный признак».

Ссылка в журнале: Элеонора Дж. Брант и др., Степень мультиаллельности, совместное редактирование LIGULELESS1 у высокополиплоидного сахарного тростника регулирует угол наклона листьев и позволяет выбирать идеологический тип для получения биомассы, Журнал биотехнологии растений (2024). DOI: 10.1111/pbi.14380