Первое прецизионное редактирование генома сахарного тростника с помощью CRISPR-Cas9
Сахарный тростник — одна из самых продуктивных культур, дающая 80% сахара и 30% биоэтанола в мире. Его потенциал для производства возобновляемых биопродуктов и биотоплива огромен, однако сложный геном затрудняет традиционную селекцию, на которую уходит более десяти лет.
Исследователи из Университета Флориды в Центре инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) впервые успешно применили прецизионное редактирование генома сахарного тростника с помощью CRISPR/Cas9.
Два ключевых достижения
Выключение гена (опубликовано в Frontiers in Genome Editing):
- Учёные "выключили" переменное число копий гена магний-хелатазы — ключевого фермента биосинтеза хлорофилла.
- Это привело к появлению легко идентифицируемых растений с цветом листьев от светло-зелёного до жёлтого.
- Светло-зелёные растения не показали снижения роста и потенциально могут требовать меньше азотных удобрений для производства той же биомассы.
- Руководители: Фреди Альтпетер и Айман Эйд.
Точная замена гена (опубликовано в Frontiers in Genome Editing):
- Достигнуто эффективное направленное редактирование генов (gene targeting) с точной заменой нескольких копий целевого гена на улучшенную версию, обеспечивающую устойчивость к гербициду.
- Вместе с инструментом редактирования в клетку вводили матрицу для репарации, что позволило заменить один-два нуклеотида в нужном месте. Продукт гена остался полностью функциональным, но перестал ингибироваться гербицидом.
- Руководители: Фреди Альтпетер и Мехмет Туфан Оз.
Это первые успешные демонстрации редактирования генома сахарного тростника с помощью CRISPR, а также направленного редактирования для точной замены нуклеотидов с использованием любого инструмента редактирования генома.
Преодоление сложности генома
Сахарный тростник — полиплоидный гибрид с множественными наборами хромосом, что создаёт генетическую избыточность. Это повышает продуктивность, но крайне усложняет модификацию: для улучшения признака нужно нацелиться на все копии соответствующих генов.
В отличие от традиционной селекции, которая требует многоступенчатого скрещивания для разделения полезных и вредных признаков, CRISPR-Cas9 позволяет напрямую менять нежелательные версии генов на превосходные, не перетасовывая весь геном.
Практическое значение и перспективы
- Изменение содержания хлорофилла может увеличить фотосинтез на уровне всего растения или снизить потребность в азотных удобрениях.
- Устойчивость к гербицидам не только облегчает борьбу с сорняками, но и поможет в будущих экспериментах по редактированию, позволяя подавлять неотредактированные клетки.
- В рамках CABBI эти инструменты уже применяются для создания улучшенных линий сахарного тростника с целью увеличения биомассы или производства липидов и специальных жирных кислот для замены нефтепродуктов.
"Теперь у нас есть очень эффективные инструменты, чтобы превратить сахарный тростник в культуру с более высокой продуктивностью или улучшенной устойчивостью. Это важно, поскольку сахарный тростник — идеальная культура для развития зарождающейся биоэкономики", — заявил Фреди Альтпетер.
Инфраструктура для переработки сахарного тростника уже существует, что делает добавление новых ценных продуктов относительно недорогим по сравнению с другими культурами.