科学家利用CRISPR将甘蔗变成超级作物

　　佛罗里达大学的研究人员利用CRISPR/Cas9修饰了甘蔗的叶片角度，显著提高了甘蔗的阳光捕获和生物量产量。这一编辑甘蔗复杂多倍体基因组的突破标志着作物改良和生物燃料生产的重大进步。

　　就生物质产量而言，甘蔗是全球最大的作物，占全球糖产量的80%，占生物燃料产量的40%。其庞大的规模和对水和光的最佳利用使其成为生产创新可再生生物产品和生物燃料的理想来源。

　　然而，作为甘蔗和甘蔗的杂交品种，甘蔗的基因组是所有作物中最复杂的。这种复杂性意味着通过传统育种来改善甘蔗是具有挑战性的。正因为如此，研究人员转向基因编辑工具，如CRISPR/Cas9系统，以精确地针对甘蔗基因组进行改进。

　　埃莉诺·布兰特正在收集叶片样本，以进行基因编辑甘蔗的分子分析。来源:Charles Keato

　　作物改良创新研究

　　在他们发表在《植物生物技术杂志》上的新篇论文中，来自佛罗里达大学高级生物能源和生物产品创新中心(CABBI)的一组研究人员利用这种遗传复杂性来利用CRISPR/Cas9系统来微调甘蔗的叶片角度。这些基因调整使甘蔗能够捕获更多的阳光，这反过来又增加了产生的生物量。

　　这项工作支持了美国能源部资助的CABBI生物能源研究中心的“植物即工厂”方法及其原料生产研究的主要目标——直接在甘蔗等植物的茎中合成生物燃料、生物产品和高价值分子。

　　甘蔗基因组的复杂性部分是由于其高度冗余:它拥有每个基因的许多拷贝。因此，甘蔗植株的表型通常取决于某个基因的多个拷贝的累积表达。CRISPR/Cas9系统非常适合这项任务，因为它可以被设计成一次编辑一个基因的几个或多个拷贝。

　　Baskaran Kannan在田间评估基因编辑的甘蔗。图片来源:Uzair Khan

　　这项研究的重点是LIGULELESS1，或LG1，一个在甘蔗叶片角度决定中起主要作用的基因。反过来，叶子的角度决定了植物能捕获多少光，这对生物质生产至关重要。由于甘蔗高度冗余的基因组包含40个LG1拷贝，研究人员能够通过编辑该基因的不同拷贝数来微调叶片角度，从而根据编辑LG1拷贝的数量产生略有不同的叶片角度。

　　佛罗里达大学农学教授、研究小组负责人弗雷迪·阿尔特彼得说:“在一些LG1编辑过的甘蔗中，我们只是使一些拷贝发生了突变。”“在这样做的过程中，我们能够定制叶片结构，直到我们找到提高生物量产量的最佳角度。”

　　田间试验结果和未来影响

　　当研究人员在田间试验中种植甘蔗时，他们发现直立的叶片表型允许更多的光线穿透树冠，从而增加了生物量产量。其中一个甘蔗品系在LG1拷贝中约有12%含有编辑，叶片倾角降低56%，但干生物量产量增加18%。

　　通过优化甘蔗以捕获更多的光，这些基因编辑提高了生物量产量，而无需向田地添加更多的肥料。除此之外，建立对复杂遗传学和基因组编辑的更深入了解有助于研究人员致力于改进作物改良的方法。

　　Altpeter说:“这是第一篇描述crispr编辑甘蔗田间试验的同行评议出版物。”“这项工作也显示了编辑多倍体作物基因组的独特机会，研究人员可以对特定性状进行微调。”

　　参考文献:Eleanor J. Brant、Ayman Eid、Baskaran Kannan、Mehmet Cengiz Baloglu和Fredy Altpeter撰写的《高度多倍体甘蔗中LIGULELESS1多等位基因的共编辑程度调节叶片倾角，实现生物质产量理想型的选择》，2024年5月22日，《植物生物技术杂志》。DOI: 10.1111 / pbi.14380

　　这项研究的共同作者包括佛罗里达大学农学系CABBI的研究人员Eleanor Brant, Ayman Eid, Baskaran Kannan和Mehmet Cengiz Baloglu。