Forscherteam verändert erstmals die Photosynthese mithilfe von CRISPR/Cas9

Ein Team des Innovative Genomics Institute an der University of California, Berkeley (UCB) hat durch Veränderung der vorgelagerten regulatorischen DNA eine Steigerung der Genexpression in einer Nutzpflanze bewirkt. Während andere Studien die Gen-Editierung mit CRISPR/Cas9 nutzten, um die Genexpression auszuschalten oder zu verringern, neue Forschungsergebnisse veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte ist der erste unvoreingenommene Ansatz zur Genom-Editierung zur Steigerung der Genexpression und der nachfolgenden photosynthetischen Aktivität.

„Werkzeuge wie CRISPR/Cas9 beschleunigen unsere Fähigkeit, die Genexpression in Nutzpflanzen zu optimieren, anstatt Gene einfach auszuschalten oder sie ‚abzuschalten‘. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass dieses Werkzeug verwendet werden kann, um die Expression von Genen zu verringern, die an wichtigen Kompromissen beteiligt sind, wie etwa zwischen Pflanzenarchitektur und Fruchtgröße“, sagte Dhruv Patel-Tupper, Hauptautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand im Niyogi Lab der UCB.

„Dies ist unseres Wissens die erste Studie, in der wir untersucht haben, ob wir mit demselben Ansatz die Expression eines Gens erhöhen und die nachgelagerte Aktivität auf unvoreingenommene Weise verbessern können.“

Im Gegensatz zu Strategien der synthetischen Biologie, bei denen Gene anderer Organismen zur Verbesserung der Photosynthese verwendet werden, kommen die am Lichtschutzprozess beteiligten Gene auf natürliche Weise in allen Pflanzen vor.

Inspiriert von einem 2018 Naturkommunikation In einer Studie, in der die Wassereffizienz einer Modellpflanze durch Überexpression eines dieser Gene, PsbS, in Pflanzen verbessert wurde, wollten das Niyogi-Labor und sein Leiter Kris Niyogi herausfinden, wie sich die Expression der nativen Gene einer Pflanze ändern lässt, ohne fremde DNA hinzuzufügen.

Nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) liefert Reis mindestens 20 % des weltweiten Kalorienbedarfs. Da die Pflanze von den drei wichtigsten Lichtschutzgenen der Pflanzen jeweils nur eine Kopie besitzt, war sie ein ideales Modellsystem für diese Studie zur Genomeditierung.

Das Niyogi-Labor führte diese Arbeit im Rahmen von Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) durch, einem internationalen Forschungsprojekt unter der Leitung der University of Illinois, das darauf abzielt, die globale Nahrungsmittelproduktion durch die Entwicklung von Nahrungspflanzen zu steigern, die Sonnenenergie effizienter in Nahrung umwandeln. Das Projekt wird von der Bill & Melinda Gates Foundation, der Foundation for Food & Agriculture Research und dem britischen Foreign, Commonwealth & Development Office unterstützt.

Der Plan des Labors war, CRISPR/Cas9 zu verwenden, um die DNA vor dem Zielgen zu verändern, das steuert, wie viel von dem Gen exprimiert wird und wann. Sie fragten sich, ob diese Veränderungen Auswirkungen auf die nachgelagerte Aktivität haben würden und in welchem ​​Ausmaß. Selbst sie waren von den Ergebnissen überrascht.

„Die Veränderungen in der DNA, die zu einer verstärkten Genexpression führten, waren viel größer als wir erwartet hatten und auch größer als die Berichte anderer ähnlicher Fälle“, sagte Patel-Tupper, inzwischen AAAS Science and Technology Policy Fellow beim US-Landwirtschaftsministerium.

„Wir waren ein wenig überrascht, aber ich denke, es zeigt, wie anpassungsfähig Pflanzen und Nutzpflanzen sind. Durch Millionen von Jahren der Evolution und Tausende von Jahren der Domestizierung sind sie an diese großen Veränderungen in ihrer DNA gewöhnt. Als Pflanzenbiologen können wir diesen ‚Spielraum‘ nutzen, um in nur wenigen Jahren große Veränderungen herbeizuführen, die Pflanzen zu einem effizienteren Wachstum verhelfen oder sie an den Klimawandel anpassen.“

In dieser Studie fanden die RIPE-Forscher heraus, dass Inversionen oder „Umdrehen“ der regulatorischen DNA zu einer erhöhten Genexpression von PsbS führten. Einzigartig an diesem Projekt war, dass die Teammitglieder nach der größten Inversion der DNA ein RNA-Sequenzierungsexperiment durchführten, um zu vergleichen, wie sich die Aktivität aller Gene im Reisgenom mit und ohne ihre Modifikationen veränderte.

Sie fanden eine sehr kleine Anzahl unterschiedlich exprimierter Gene, viel weniger als bei ähnlichen Transkriptomstudien. Das lässt darauf schließen, dass ihr Ansatz die Aktivität anderer wichtiger Prozesse nicht beeinträchtigte.

Patel-Tupper fügte hinzu, dass das Team zwar gezeigt habe, dass diese Methode möglich sei, sie aber noch relativ selten sei. Etwa 1 % der von ihnen erzeugten Pflanzen hätten den gewünschten Phänotyp.

„Wir haben hier einen Proof of Concept gezeigt, dass wir CRISPR/Cas9 verwenden können, um Varianten in Schlüsselgenen von Nutzpflanzen zu erzeugen und die gleichen Fortschritte zu erzielen wie mit herkömmlichen Pflanzenzuchtansätzen, allerdings auf ein sehr gezieltes Merkmal, das wir erzeugen wollen, und in einem viel schnelleren Zeitrahmen“, sagte Patel-Tupper.

„Das ist auf jeden Fall schwieriger als der Ansatz mit gentechnisch veränderten Pflanzen. Aber indem wir etwas ändern, das schon da ist, können wir möglicherweise regulatorischen Problemen zuvorkommen, die es verzögern könnten, solche Werkzeuge schneller in die Hände der Landwirte zu bekommen.“