Впервые проведено прецизионное редактирование генов у мискантуса
Исследователи впервые успешно продемонстрировали прецизионное редактирование генов у мискантуса — многообещающей многолетней культуры для устойчивого производства биоэнергии.
Команда из Центра инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) отредактировала геномы трёх видов мискантуса с помощью CRISPR/Cas9. Этот метод гораздо более точен и эффективен для выведения новых сортов, чем предыдущие подходы.
Результаты ускорят работу по раскрытию огромного потенциала этой высокопродуктивной, но генетически сложной травы в качестве источника биотоплива, возобновляемых биопродуктов и секвестрации углерода. Исследование, опубликованное в Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, возглавили три исследователя CABBI из Института биотехнологий ХадсонАльфа в Алабаме: научный руководитель Канкшита Сваминатан, научный сотрудник Энтони Триу и бывший постдок Мохаммад Белаффиф, а также Нэнси Райхерт, профессор биологических наук Университета штата Миссисипи.
Сваминатан в 2020 году совместно руководила международной группой, секвенировавшей геном мискантуса. Эта работа стала дорожной картой для исследователей, изучающих новые способы максимизации продуктивности растения и расшифровки генетической основы его желательных признаков. Мискантус чрезвычайно адаптивен, легко растёт на маргинальных землях, требует ограниченного удобрения, обладает высокой устойчивостью к засухе и низким температурам и использует более эффективный С4-тип фотосинтеза.
До сих пор усилия по генетическому улучшению мискантуса были сосредоточены на трансформации растений путём введения внешних генов в случайные места их геномов, а не на целевом редактировании конкретных участков или модификации существующих генов.
Команда CABBI разработала процедуры редактирования генов с использованием CRISPR/Cas9, которые позволят исследователям избирательно нацеливаться на существующие гены в растениях мискантуса, чтобы «нокаутировать» или модифицировать их функцию, а также вводить новые гены в точные места. Эта способность к точному нацеливанию открывает новый путь для генетического улучшения этой важной биомассовой культуры.
Исследование продемонстрировало редактирование генов у трёх видов мискантуса: высокопродуктивного Miscanthus x giganteus, который выращивается в коммерческих целях для биоэнергетики, и его родительских видов M. sacchariflorus и M. sinensis. Поскольку эти растения являются палеополиплоидами (с дублированной древней ДНК, подобной сорго, и несколькими наборами хромосом), при разработке направляющих РНК (guide RNA), которые находят генетический материал для редактирования, необходимо было нацеливаться на все копии гена, чтобы учесть избыточность и обеспечить полный «нокаут».
Исследователи CABBI опирались на аналогичное редактирование генов у Zea mays (кукурузы), где ген lemon white 1 (lw1) был идентифицирован как удобная мишень для визуального подтверждения генетических изменений. Этот ген участвует в биосинтезе хлорофилла и каротиноидов, что влияет на цвет листьев. Предыдущие исследования показали, что редактирование lw1 с помощью CRISPR/Cas9 давало фенотипы листьев бледно-зелёного/жёлтого цвета, полосатые или белые.
Используя последовательности мискантуса и сорго, исследователи идентифицировали направляющие РНК, способные нацеливаться на гомеологи (дублированные копии генов) lw1 в тканях мискантуса. Листья отредактированных растений мискантуса демонстрировали те же фенотипы, что и у кукурузы: бледно-зелёные/жёлтые, полосатые или белые вместо типично зелёных.
Эта работа способствует миссии CABBI по разработке устойчивого производства биоэнергии и инженерии выбранных культур (мискантус, сорго, сахарный тростник) для производства новых биопродуктов, таких как масла и специальные химикаты. До этого исследования биоинженерная работа ограничивалась сорго и тростником, поскольку методы точной инженерии для мискантуса разработаны не были.
«Выявление трансформируемого зародышевого материала, разработка надёжных методов трансформации и демонстрация редактирования генов в мискантусе — все это crucial steps на пути к pathway engineering в мискантусе», — сказала Сваминатан. — «Возможность точно редактировать мискантус для повышения продуктивности, обеспечения роста на маргинальных землях и производства специальных химических веществ, таких как масла, поможет убрать слово "потенциальный" из его статуса как жизнеспособной биоэнергетической культуры. Это исследование помогает нам сделать несколько шагов ближе к сокращению нашей зависимости от нефтяной энергетики».
Чтобы определить линии мискантуса, которые хорошо трансформируются, исследователи проанализировали зародышевую плазму от коммерческих поставщиков и коллабораторов исследования. Большинство линий предоставил соавтор Эрик Сакс, профессор растениеводства Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн, собравший зародышевую плазму по всему миру. Сакс и Сваминатан являются заместителями руководителей темы исследований по производству сырья в CABBI.
«Этот исследовательский проект был высококоллаборативным, межинституциональным усилием, где исследователи работали across disciplines для достижения важной цели. Он укрепил подход к исследованиям "big picture" в рамках CABBI, а также других BRCs», — сказала Райхерт.
Среди других соавторов исследования от CABBI были Стив Мус, профессор растениеводства из Иллинойса; Том Клементе, выдающийся профессор биотехнологии имени Юджина У. Прайса в Центре инноваций в области растениеводства Университета Небраски; постдок Прадипа Хираннайя, техник Шилпа Манджунатха, стажёр Ребекка Вуд и специалист по развитию рабочей силы Йокшита Батула (все из ХадсонАльфа); а также научный сотрудник Ребекка Биллингсли и аспирант Анджали Арпан из Университета штата Миссисипи.