Zespół z Instytutu Innowacyjnej Genomiki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley (UCB) zaobserwował wzrost ekspresji genów w roślinach spożywczych poprzez zmianę znajdującego się powyżej DNA regulacyjnego. Podczas gdy w innych badaniach stosowano edycję genów CRISPR/Cas9 w celu wyeliminowania lub zmniejszenia ekspresji genów, nowe badania opublikowane w Science Advances to pierwsze bezstronne podejście do edycji genów w celu zwiększenia ekspresji genów i dalszej aktywności fotosyntetycznej.
„Narzędzia takie jak CRISPR/Cas9 przyspieszają naszą zdolność do dostrajania ekspresji genów w uprawach, zamiast po prostu wybijać geny lub je „wyłączać”. Wcześniejsze badania wykazały, że tego narzędzia można używać do zmniejszania ekspresji genów zaangażowanych w ważne kompromisy, takie jak te między architekturą rośliny a wielkością owoców” – powiedział Dhruv Patel-Tupper, główny autor badania i były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Niyogi Lab na Uniwersytecie Kalifornijskim. „O ile nam wiadomo, jest to pierwsze badanie, w którym zapytaliśmy, czy możemy zastosować to samo podejście, aby w bezstronny sposób zwiększyć ekspresję genu i poprawić dalszą aktywność”.
W przeciwieństwie do strategii biologii syntetycznej, które wykorzystują geny innych organizmów do usprawnienia fotosyntezy, geny zaangażowane w proces fotoprotekcji występują naturalnie we wszystkich roślinach. Zainspirowani artykułem Nature Communications z 2018 r., który poprawił efektywność wykorzystania wody w modelowej uprawie poprzez nadekspresję jednego z tych genów, PsbS, w roślinach, laboratorium Niyogi i jego lider Kris Niyogi chcieli dowiedzieć się, jak zmienić ekspresję rodzimych genów roślin bez dodawania obcego DNA. Według Organizacji ds. Wyżywienia i Rolnictwa ryż dostarcza co najmniej 20% kalorii na świecie, a ponieważ ma tylko jedną kopię każdego z trzech kluczowych genów fotoprotekcji u roślin, był idealnym systemem modelowym do tego badania nad edycją genów.
Laboratorium Niyogi kontynuowało tę pracę w ramach Realizing zwiększonej wydajności fotosyntezy (RIPE), międzynarodowego projektu badawczego prowadzonego przez Uniwersytet Illinois, którego celem jest zwiększenie globalnej produkcji żywności poprzez rozwój roślin spożywczych, które wydajniej przekształcają energię słoneczną w żywność przy wsparciu ze strony Fundacja Billa i Melindy Gatesów, Fundacja Badań nad Żywnością i Rolnictwem oraz Brytyjskie Biuro ds. Spraw Zagranicznych, Wspólnoty Narodów i Rozwoju.
Laboratorium planowało użyć CRISPR/Cas9 do zmiany DNA znajdującego się powyżej docelowego genu, co kontroluje, jaka część genu ulega ekspresji i kiedy. Zastanawiali się, czy wprowadzenie tych zmian będzie miało wpływ na działalność na dalszych etapach łańcucha dostaw i w jakim stopniu. Nawet oni byli zaskoczeni wynikami.
„Zmiany w DNA, które zwiększyły ekspresję genów, były znacznie większe, niż się spodziewaliśmy i większe, niż naprawdę widzieliśmy w innych podobnych historiach” – powiedział Patel-Tupper, obecnie stypendysta AAAS Science and Technology Policy Fellow w USDA. „Byliśmy trochę zaskoczeni, ale myślę, że to pokazuje, jak dużą plastyczność mają rośliny i uprawy. Są przyzwyczajone do tak dużych zmian w swoim DNA w wyniku milionów lat ewolucji i tysięcy lat udomowienia. Jako biolodzy roślin możemy wykorzystać tę „swobodę działania”, aby w ciągu zaledwie kilku lat wprowadzić duże zmiany, które pomogą roślinom wydajniej rosnąć lub przystosować się do zmiany klimatu”.
W tym badaniu badacze RIPE dowiedzieli się, że inwersje, czyli „odwrócenie” regulacyjnego DNA, powodują zwiększoną ekspresję genu PsbS. Wyjątkową cechą tego projektu było to, że po dokonaniu największej inwersji DNA członkowie zespołu przeprowadzili eksperyment sekwencjonowania RNA, aby porównać, jak zmieniała się aktywność wszystkich genów w genomie ryżu z modyfikacjami i bez nich. Odkryli bardzo małą liczbę genów ulegających zróżnicowanej ekspresji, znacznie mniejszą niż w podobnych badaniach nad transkryptomem, co sugeruje, że ich podejście nie wpływa negatywnie na aktywność innych niezbędnych procesów.
Patel-Tupper dodał, że chociaż zespół wykazał, że ta metoda jest możliwa, nadal jest ona stosunkowo rzadka. Około 1% wygenerowanych przez nich roślin miało pożądany fenotyp.
„Pokazaliśmy tutaj dowód koncepcji, że możemy użyć CRISPR/Cas9 do wygenerowania wariantów w kluczowych genach roślin uprawnych i uzyskać taki sam skok, jak w przypadku tradycyjnych podejść do hodowli roślin, ale w odniesieniu do bardzo skoncentrowanej cechy, którą chcemy opracować i w znacznie szybszym czasie” – powiedział Patel-Tupper. „To zdecydowanie trudniejsze niż zastosowanie podejścia opartego na roślinach transgenicznych, ale zmieniając coś, co już istnieje, być może uda nam się zapobiec problemom regulacyjnym, które mogą spowolnić szybkość dostarczania takich narzędzi w ręce rolników”.