Die neue „CRISPR-Combo“-Methode steigert die Leistungsfähigkeit der Genombearbeitung in Pflanzen

Vor zehn Jahren ermöglichte eine neue Technologie namens CRISPR-CAS9 Wissenschaftlern, den genetischen Code lebender Organismen zu verändern. So revolutionär es auch war, das Tool hatte seine Grenzen. Wie die ersten Mobiltelefone, die nur eine Funktion erfüllen konnten, kann die ursprüngliche CRISPR-Methode eine Funktion erfüllen: das Entfernen oder Ersetzen von Genen in einer genetischen Sequenz. Spätere Iterationen von CRISPR wurden für eine andere Funktion entwickelt, die es Wissenschaftlern ermöglichte, die Genexpression zu ändern, indem sie sie ein- oder ausschalteten, ohne sie aus dem Genom zu entfernen. Jede dieser Funktionen konnte jedoch nur in Pflanzen unabhängig voneinander ausgeführt werden.

Jetzt haben Wissenschaftler des College of Agriculture and Natural Resources der University of Maryland CRISPR-Combo entwickelt, eine Methode, um mehrere Gene in Pflanzen zu bearbeiten und gleichzeitig die Expression anderer Gene zu verändern. Dieses neue Werkzeug wird gentechnische Kombinationen ermöglichen, die zusammenarbeiten, um die Funktionalität zu steigern und die Züchtung neuer Nutzpflanzen zu verbessern.

„Die Möglichkeiten in Bezug auf die kombinierbaren Merkmale sind wirklich grenzenlos“, sagte Yiping Qi, außerordentlicher Professor am Institut für Pflanzenwissenschaften und Landschaftsarchitektur und Mitautor der Studie. „Aber was wirklich aufregend ist, ist, dass CRISPR-Combo ein Maß an Raffinesse in die Gentechnik in Pflanzen einführt, das wir zuvor nicht hatten.“

Die neue Forschungsarbeit erscheint in der Mai-Ausgabe 2022 der Zeitschrift Natur Pflanzen.

Die Vorteile der gleichzeitigen Manipulation von mehr als einem Gen können die Vorteile einer einzelnen Manipulation bei weitem überwiegen. Stellen Sie sich zum Beispiel eine Seuche vor, die durch Weizenfelder wütet und den Lebensunterhalt der Landwirte und die Ernährungssicherheit bedroht. Wenn Wissenschaftler ein Gen aus dem Weizen entfernen könnten, das ihn anfällig für die Fäulnis macht, und gleichzeitig Gene einschalten könnten, die den Lebenszyklus der Pflanze verkürzen und die Samenproduktion erhöhen, könnten sie schnell fäuleresistenten Weizen produzieren, bevor die Krankheit die Chance hätte, zu viel zu tun Schaden.

Das ist die Art von Engineering, die Qi und sein Team in vier verschiedenen Experimentierphasen demonstrierten.

Schritt eins: das Konzept beweisen

Qi und sein Team hatten zuvor neue CRISPR-Methoden entwickelt, um die Genexpression in Pflanzen zu regulieren und mehrere Gene gleichzeitig zu bearbeiten. Aber um CRISPR-Combo zu entwickeln, mussten sie feststellen, dass sie beide gentechnischen Funktionen ohne negative Folgen parallel ausführen können. In diesem neuen Artikel demonstrierten sie dies anhand von Tomaten- und Reiszellen.

„Als Proof of Concept haben wir gezeigt, dass wir Gen A ausschalten und Gen B erfolgreich hochregulieren – oder aktivieren – können, ohne versehentlich Gen B zu überqueren und auszuschalten oder Gen A hochzuregulieren“, sagte Qi.

Dann testeten Qi und seine Kollegen CRISPR-Combo an einer blühenden Pflanze namens Felsenkresse (ArabidopsisI), die von Forschern oft als Modell für Grundnahrungsmittel wie Mais und Weizen verwendet wird. Die Forscher bearbeiteten ein Gen, das die Pflanze widerstandsfähiger gegen Herbizide macht, und aktivierten gleichzeitig ein Gen, das eine frühe Blüte verursacht, wodurch schneller Samen produziert werden. Das Ergebnis war eine herbizidresistente Felsenkresse-Pflanze, die in einem Jahr statt der üblichen vier acht Generationen hervorbrachte.

Effizienteres Engineering

Für ihr drittes Experiment demonstrierte das Team, wie CRISPR-Combo die Effizienz in der Pflanzenzüchtung unter Verwendung von Gewebekulturen von Pappeln verbessern könnte. Züchtungsprogramme zur Entwicklung neuer Pflanzensorten verwenden im Allgemeinen eher Gewebekulturen als Samen – überlegen Sie, wie eine Pflanze Wurzeln und Blätter aus einem einzigen in den Boden gepflanzten Stängel nachwachsen lassen kann. Wissenschaftler verändern genetisch Stammzellen, die in der Lage sind, zu vollen Pflanzen heranzuwachsen, und wenn diese Pflanzen reifen und Samen produzieren, tragen die Samen die genetischen Veränderungen an den Stammzellen weiter.

Einige Pflanzen können sich besser aus Gewebekulturen regenerieren als andere, was diesen Schritt zum größten Engpass bei der Gentechnik von Nutzpflanzen macht. Bei manchen Pflanzen liegt die Erfolgsquote bei nur 1 %.

Qi und sein Team gingen den Engpass an, indem sie zunächst einige Merkmale in Pappelzellen bearbeiteten und dann drei Gene aktivierten, die die Regeneration des Pflanzengewebes fördern.

„Wir haben in Pappeln gezeigt, dass unsere neue Methode eine Lösung für den Engpass bei der Geweberegeneration bieten und die Effizienz der Gentechnik dramatisch steigern könnte“, sagte Qi.

Hormonfreie Abkürzung

Gegenwärtig erfordert der Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen aus Gewebekulturen die Zugabe von Wachstumshormonen, die wachstumsfördernde Gene aktivieren. Das Forschungsteam verkürzt diesen Prozess in Reis, indem es diese Gene direkt mit CRISPR-Combo aktiviert. Das Ergebnis war gentechnisch veränderter Reis aus Gewebekulturen, der keine Hormonergänzung benötigte. Qi und seine Kollegen fanden heraus, dass Gewebekulturen, die mit ihrer Methode gezüchtet wurden, mehr des bearbeiteten Gens exprimierten als Gewebe, das mit Hormonen gezüchtet wurde.

„Diese Methode führt zu einem hocheffizienten Genom-Editierungsprozess“, sagte Qi.

Nachdem das Team gezeigt hat, dass seine CRISPR-Combo-Methode in einer Vielzahl von Pflanzen für mehrere Zwecke funktioniert, beabsichtigen sie, Experimente mit Zitrusfrüchten, Karotten und Kartoffeln durchzuführen, um ihre Lebensfähigkeit in Obst, Gemüse und Grundnahrungsmitteln zu testen. Sie arbeiten auch daran, einen herbizidresistenten goldenen Reis mit verbessertem Nährstoffgehalt und roten Reis mit erhöhten Antioxidantien herzustellen.

Weitere Co-Autoren des Forschungspapiers der UMD sind Associate Professor Gary Coleman, die Postdoktoranden Changtian Pan und Gen Li, die Postdoktorandin Filiz Gurel, die Doktoranden Yanhao Cheng, Aimee A. Malzahn und Simon Sretenovic, Laborpraktikant und High Schüler Benjamin Leyson.