חוקרים מאוניברסיטת פלורידה השתמשו ב-CRISPR/Cas9 כדי לשנות את זווית העלים של קנה הסוכר, ולשפר משמעותית את לכידת אור השמש ואת תפוקת הביומסה שלו. פריצת דרך זו בעריכת הגנום הפוליפלואידי המורכב של קנה סוכר מסמנת התקדמות גדולה בשיפור היבול וייצור דלק ביולוגי.
חוקרים אופטימיזו את זווית העלים של קנה הסוכר באמצעות עריכת גנים של CRISPR, והעצימו את ספיגת אור השמש שלו.
קנה הסוכר מדורג כיבול העליון בעולם במונחים של תפוקת ביומסה, תורם ל-80% מהסוכר ול-40% מייצור הדלק הביולוגי ברחבי העולם. גודלו המשמעותי והניצול האופטימלי של המים והאור מציבים אותו כמקור אידיאלי לייצור מוצרים ביולוגיים מתחדשים וביו-דלקים חדשניים.
עם זאת, כהכלאה של Saccharum officinarum ו Saccharum spontaneum, לקני סוכר יש את הגנום המורכב ביותר מכל הגידולים. משמעות המורכבות הזו היא ששיפור קנה הסוכר באמצעות גידול קונבנציונלי הוא מאתגר. בשל כך, החוקרים פונים לכלי עריכת גנים, כמו מערכת CRISPR/Cas9 כדי למקד במדויק את הגנום של קנה הסוכר לצורך שיפור.
אלינור ברנט אוספת דגימות עלים לניתוח מולקולרי של קני סוכר ערוכים בגנים. קרדיט: צ'ארלס קיטו
מחקר חדשני לשיפור היבול
במאמר החדש שלהם, שפורסם ב יומן ביוטכנולוגיה צמחיתצוות חוקרים מ- אוניברסיטת פלורידה במרכז לחדשנות ביו-אנרגיה מתקדמת ומוצרים ביולוגיים (CABBI) מינפו את המורכבות הגנטית הזו לטובתם כדי להשתמש במערכת CRISPR/Cas9 כדי לכוונן את זווית העלים בקנה סוכר. השינויים הגנטיים הללו אפשרו לקנה הסוכר ללכוד יותר אור שמש, מה שבתורו הגדיל את כמות הביומסה המיוצרת.
עבודה זו תומכת בגישת "צמחים כמפעלים" של מרכז המחקר הביו-אנרגיה של CABBI במימון DOE ובמטרה העיקרית של מחקר הפקת הזנה שלו – לסנתז דלק ביולוגי, מוצרים ביולוגיים ומולקולות בעלות ערך גבוה ישירות בגבעולים של צמחים כגון קני סוכר.
המורכבות של גנום קנה הסוכר נובעת בחלקה מרמות היתירות הגבוהות שלו: יש לו עותקים רבים של כל גן. הפנוטיפ שצמח קנה סוכר מציג, לפיכך, תלוי בדרך כלל בביטוי המצטבר של העותקים המרובים של גן מסוים. מערכת CRISPR/Cas9 מושלמת למשימה זו מכיוון שניתן לעצב אותה כדי לערוך כמה עותקים או רבים של גן בבת אחת.
Baskaran Kannan העריך קנה סוכר שנערך בגנים בשטח. קרדיט: עוזאיר חאן
מחקר זה התמקד ב LIGULELESS1או LG1, גן הממלא תפקיד מרכזי בקביעת זווית העלים בקנה סוכר. זווית העלים, בתורה, קובעת כמה אור יכול להילכד על ידי הצמח, וזה קריטי לייצור ביומסה. מכיוון שהגנום המיותר ביותר של קני סוכר מכיל 40 עותקים של LG1החוקרים הצליחו לכוונן את זווית העלה על ידי עריכת מספרים שונים של עותקים של גן זה, וכתוצאה מכך זוויות עלים שונות במקצת בהתאם למספר העותקים של LG1 נערכו.
"בחלק מה LG1 ערכנו קני סוכר, פשוט ביצענו מוטציה בכמה מהעותקים", אמר פרדי אלטפטר, ראש צוות המחקר ופרופסור לאגרונומיה באוניברסיטת פלורידה. "ובכך, הצלחנו להתאים את ארכיטקטורת העלים עד שמצאנו את הזווית האופטימלית שהביאה להגדלת תפוקת הביומסה."
תוצאות ניסוי שדה והשלכות עתידיות
כאשר החוקרים גידלו קני סוכר בניסויי שדה, הם גילו שהפנוטיפים של העלים הזקופים אפשרו ליותר אור לחדור לחופה, מה שהביא ליבול ביומסה מוגברת. קו קנה סוכר אחד במיוחד, שהכיל עריכות ב~12% מה- LG1 עותקים והראו ירידה של 56% בזווית נטיית העלים, הייתה עלייה של 18% בתפוקת הביומסה היבשה.
על ידי אופטימיזציה של קנה הסוכר כדי ללכוד יותר אור, עריכות גנים אלו מגדילות את תפוקת הביומסה מבלי להוסיף עוד דשן לשדות. בנוסף לכך, בניית הבנה חזקה יותר של גנטיקה מורכבת ועריכת גנום מסייעת לחוקרים לעבוד לקראת גישות מעודנות לשיפור היבול.
"זהו הפרסום הראשון בביקורת עמיתים המתאר ניסוי שדה של קני סוכר בעריכת CRISPR", אמר אלטפטר. "ועבודה זו מציגה גם הזדמנויות ייחודיות לעריכה של גנום יבול פוליפלואידי, שבו חוקרים יכולים לכוונן תכונה ספציפית."
מחברים שותפים למחקר זה כללו חוקרי CABBI מהמחלקה לאגרונומיה של אוניברסיטת פלורידה, אלינור בראנט, איימן עיד, בסקראן קאנן ומהמט צ'נגיז באלוגלו.
