Настройка угла листа с помощью CRISPR повышает урожайность сахарного тростника
Сахарный тростник — крупнейшая в мире культура по урожайности биомассы, обеспечивающая 80% сахара и 40% биотоплива в мире. Его размер и эффективное использование воды и света делают его идеальным кандидатом для производства современных возобновляемых биопродуктов и биотоплива.
Однако, как гибрид Saccharum officinarum и Saccharum spontaneum, сахарный тростник имеет самый сложный геном среди всех сельскохозяйственных культур. Это усложняет его улучшение методами классической селекции, поэтому исследователи обращаются к инструментам редактирования генов, таким как система CRISPR/Cas9.
В новой статье, опубликованной в Plant Biotechnology Journal, команда из Университета Флориды в Центре инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) использовала эту генетическую сложность в своих интересах. С помощью CRISPR/Cas9 они точно настроили угол листа у сахарного тростника. Эти генетические изменения позволили растению улавливать больше солнечного света, что, в свою очередь, увеличило количество производимой биомассы.
Эта работа поддерживает подход CABBI «растения как фабрики» и его основную цель — синтезировать биотопливо, биопродукты и высокоценные молекулы непосредственно в стеблях растений.
Сложность генома сахарного тростника отчасти обусловлена высокой избыточностью: он содержит множество копий каждого гена. Фенотип растения обычно зависит от совокупной экспрессии множественных копий определенного гена. Система CRISPR/Cas9 идеально подходит для этой задачи, так как может быть настроена на редактирование нескольких или многих копий гена одновременно.
Исследование было сосредоточено на гене LIGULELESS1 (LG1), который играет важную роль в определении угла листа. Угол листа определяет количество света, которое может уловить растение, что критически важно для производства биомассы. Поскольку высокоизбыточный геном сахарного тростника содержит 40 копий гена LG1, исследователи смогли точно настроить угол листа, редактируя разное количество этих копий.
«В некоторых отредактированных линиях мы мутировали всего несколько копий, — сказал руководитель исследования Фреди Альтпетер, профессор агрономии Университета Флориды. — Это позволило нам настроить архитектуру листа, пока мы не нашли оптимальный угол, который привел к увеличению урожайности биомассы».
В полевых испытаниях исследователи обнаружили, что фенотипы с вертикальными листьями пропускали больше света в полог, что увеличивало урожай биомассы. Одна линия сахарного тростника, в которой было отредактировано около 12% копий LG1 и наблюдалось уменьшение угла наклона листа на 56%, показала увеличение урожайности сухой биомассы на 18%.
Оптимизация сахарного тростника для улавливания большего количества света повышает урожай биомассы без необходимости увеличения количества удобрений. Кроме того, лучшее понимание сложной генетики и редактирования генома помогает исследователям разрабатывать более совершенные подходы к улучшению сельскохозяйственных культур.
«Это первая рецензируемая публикация, описывающая полевые испытания сахарного тростника, отредактированного с помощью CRISPR, — отметил Альтпетер. — Эта работа также демонстрирует уникальные возможности для редактирования полиплоидных геномов сельскохозяйственных культур, где можно точно настраивать конкретные признаки».