Исследователи из Университета Флориды использовали CRISPR/Cas9 для изменения угла наклона листьев сахарного тростника, что значительно повысилоэффективность захвата солнечного света и урожайность. Этот прорыв в редактировании сложного полиплоидного генома сахарного тростника знаменует собой достижение в области улучшения сельскохозяйственных культур и производства биотоплива.
Сахарный тростник занимает первое место в мире по урожайности биомассы, обеспечивая 80% производства сахара и 40% производства биотоплива во всем мире. Его значительные размеры и оптимальное использование воды и света делают его идеальным источником для получения инновационных возобновляемых биопродуктов и биотоплива.
Однако сахарный тростник, являющийся гибридом Saccharum officinarum и Saccharum spontaneum, имеет самый сложный геном среди всех сельскохозяйственных культур. Эта сложность означает, что улучшение сахарного тростника с помощью традиционной селекции является сложной задачей. Поэтому исследователи обращаются к инструментам редактирования генов, таким как система CRISPR/Cas9, чтобы точно направить геном сахарного тростника на улучшение.
В своей новой работе, опубликованной в журнале Plant Biotechnology Journal, группа исследователей из Университета Флориды в Центре инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) использовала эту генетическую сложность, применив систему CRISPR/Cas9 для точной настройки угла наклона листьев сахарного тростника. Эти генетические изменения позволили сахарному тростнику улавливать больше солнечного света, что, в свою очередь, увеличило количество производимой биомассы.
Эта работа поддерживает финансируемый Министерством энергетики подход Центра биоэнергетических исследований CABBI «растения как фабрики» и главную цель его исследований в области производства сырья — синтезировать биотопливо, биопродукты и ценные молекулы непосредственно в стеблях таких растений, как сахарный тростник.
Сложность генома сахарного тростника отчасти объясняется высоким уровнем избыточности: он содержит множество копий каждого гена. Поэтому фенотип, который демонстрирует растение сахарного тростника, обычно зависит от совокупной экспрессии нескольких копий определенного гена.
Система CRISPR/Cas9 идеально подходит для решения данной задачи, поскольку она может быть разработана для редактирования нескольких или многих копий гена одновременно. Это исследование было посвящено гену LIGULELESS1, или LG1, который играет важную роль в определении угла наклона листьев у сахарного тростника.
Угол наклона листьев, в свою очередь, определяет, сколько света может улавливать растение, что очень важно для производства биомассы. Поскольку геном сахарного тростника содержит 40 копий LG1, исследователи смогли точно настроить угол наклона листьев, отредактировав разное количество копий этого гена, в результате чего угол наклона листьев немного отличался в зависимости от того, сколько копий LG1 было отредактировано.
«В некоторых сортах сахарного тростника с редактированием LG1 мы просто мутировали несколько копий, — говорит Фреди Альтпетер, руководитель исследовательской группы и профессор агрономии Университета Флориды. — При этом мы смогли изменить архитектуру листьев, пока не нашли оптимальный угол, который привел к увеличению урожая биомассы».
Когда ученые выращивали сахарный тростник в полевых условиях, они обнаружили, что фенотипы с вертикальным расположением листьев позволяют проникать большему количеству света под навес, что приводит к увеличению урожая биомассы. В частности, одна линия сахарного тростника, содержащая изменения примерно в 12% копий LG1 и демонстрирующая уменьшение угла наклона листьев на 56%, увеличила урожай сухой биомассы на 18%.
Оптимизируя сахарный тростник для захвата большего количества света, эти генные правки повышают урожайность биомассы без необходимости вносить на поля больше удобрений. Кроме того, более глубокое понимание сложной генетики и редактирования генома помогает исследователям работать над усовершенствованием подходов к улучшению сельскохозяйственных культур.
«Это первая рецензируемая публикация, описывающая полевые испытания сахарного тростника, отредактированного с помощью CRISPR, — сказал Альтпетер. — Эта работа также показывает уникальные возможности для редактирования геномов полиплоидных культур, где исследователи могут точно настроить конкретный признак».
Ранее ученые обнаружили, что ячмень, выращенный органическим способом, генетически адаптировался к окружающей среде, став более генетически разнообразным и выносливым по сравнению с ячменем, выращенным традиционным способом. Исследование подчеркивает необходимость разработки сортов культур специально для органического земледелия, чтобы использовать эти адаптивные преимущества.