Feinabstimmung des Blattwinkels mit CRISPR verbessert den Zuckerrohrertrag

Zuckerrohr ist die weltweit größte Nutzpflanze nach Biomasseertrag und liefert 80 % des Zuckers und 40 % des weltweit produzierten Biokraftstoffs. Die Größe der Pflanze und ihr effizienter Umgang mit Wasser und Licht machen sie zu einem erstklassigen Kandidaten für die Produktion fortschrittlicher erneuerbarer Bioprodukte und Biokraftstoffe mit Mehrwert.

Als Hybride aus Saccharum officinarum und Saccharum spontaneum besitzt Zuckerrohr jedoch das komplexeste Genom aller Nutzpflanzen. Aufgrund dieser Komplexität ist die Verbesserung des Zuckerrohrs durch konventionelle Züchtung eine Herausforderung. Aus diesem Grund greifen Forscher auf Genbearbeitungswerkzeuge wie das CRISPR/Cas9-System zurück, um das Genom des Zuckerrohrs gezielt zu verbessern.

In ihrem neuen Artikel veröffentlicht In Zeitschrift für PflanzenbiotechnologieEin Forscherteam der University of Florida am Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) hat diese genetische Komplexität zu seinem Vorteil genutzt, um mithilfe des CRISPR/Cas9-Systems den Blattwinkel des Zuckerrohrs zu optimieren. Diese genetischen Anpassungen ermöglichten es dem Zuckerrohr, mehr Sonnenlicht einzufangen, was wiederum die Menge der produzierten Biomasse erhöhte.

Diese Arbeit unterstützt den Ansatz „Pflanzen als Fabriken“ des CABBI Bioenergy Research Center und das Hauptziel seiner Forschung zur Rohstoffproduktion – die Synthese von Biokraftstoffen, Bioprodukten und hochwertigen Molekülen direkt in den Stängeln von Pflanzen wie Zuckerrohr.

Die Komplexität des Genoms des Zuckerrohrs ist teilweise auf seine hohe Redundanz zurückzuführen: Es besitzt viele Kopien jedes Gens. Der Phänotyp, den eine Zuckerrohrpflanze zeigt, hängt daher typischerweise von der kumulativen Expression der mehreren Kopien eines bestimmten Gens ab. Das CRISPR/Cas9-System ist für diese Aufgabe perfekt geeignet, da es so konzipiert werden kann, dass es einige oder viele Kopien eines Gens gleichzeitig bearbeitet.

Diese Studie konzentrierte sich auf LIGULELESS1 oder LG1, ein Gen, das eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Blattwinkels bei Zuckerrohr spielt. Der Blattwinkel wiederum bestimmt, wie viel Licht die Pflanze einfangen kann, was für die Biomasseproduktion entscheidend ist. Da das hochredundante Genom des Zuckerrohrs 40 Kopien von LG1 enthält, konnten die Forscher den Blattwinkel feinabstimmen, indem sie unterschiedliche Anzahlen von Kopien dieses Gens bearbeiteten, was zu leicht unterschiedlichen Blattwinkeln führte, je nachdem, wie viele Kopien von LG1 bearbeitet wurden.

„Bei einigen der mit LG1 bearbeiteten Zuckerrohre haben wir nur einige Kopien mutiert“, sagte Fredy Altpeter, Leiter des Forschungsteams und Professor für Agronomie an der University of Florida. „Dadurch konnten wir die Blattstruktur so lange anpassen, bis wir den optimalen Winkel gefunden hatten, der zu einem höheren Biomasseertrag führte.“

Als die Forscher in Feldversuchen Zuckerrohr anbauten, stellten sie fest, dass die aufrechten Blattphänotypen mehr Licht in das Blätterdach eindringen ließen, was zu einem höheren Biomasseertrag führte. Insbesondere eine Zuckerrohrlinie, die Veränderungen in etwa 12 % der LG1-Kopien enthielt und eine 56 % geringere Blattneigung aufwies, wies einen um 18 % höheren Trockenbiomasseertrag auf.

Durch die Optimierung des Zuckerrohrs, um mehr Licht einzufangen, steigern diese Genbearbeitungen den Biomasseertrag, ohne dass mehr Dünger auf die Felder gegeben werden muss. Darüber hinaus hilft ein besseres Verständnis der komplexen Genetik und der Genombearbeitung den Forschern, an verfeinerten Ansätzen zur Verbesserung der Nutzpflanzen zu arbeiten.

„Dies ist die erste von Experten begutachtete Veröffentlichung, die einen Feldversuch mit CRISPR-editiertem Zuckerrohr beschreibt“, sagte Altpeter. „Und diese Arbeit zeigt auch einzigartige Möglichkeiten für die Bearbeitung polyploider Nutzpflanzengenome, bei denen Forscher ein bestimmtes Merkmal feinabstimmen können.“

Zu den Co-Autoren dieser Studie gehörten die CABBI-Forscher der Fakultät für Agrarwissenschaften der University of Florida, Eleanor Brant, Ayman Eid, Baskaran Kannan und Mehmet Cengiz Baloglu.