Team erzielt erste Präzisions-Geneditierung bei Miscanthus

Zum ersten Mal haben Forscher die Präzisions-Geneditierung bei Chinaschilf erfolgreich demonstriert, einer vielversprechenden mehrjährigen Kulturpflanze für eine nachhaltige Bioenergieproduktion.

Ein Team des Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) editierte die Genome von drei Miscanthus-Arten mit CRISPR/Cas9 – eine weitaus gezieltere und effizientere Methode zur Entwicklung neuer Sorten als frühere Methoden.

Die Ergebnisse werden die Bemühungen beschleunigen, das enorme Potenzial dieses hochproduktiven, aber genetisch komplexen Grases als Quelle für Biokraftstoffe, erneuerbare Bioprodukte und Kohlenstoffbindung zu erschließen. Die Studie, erschienen in Biotechnologie für Biokraftstoffe und Bioproduktewurde von drei CABBI Miscanthus-Forschern am HudsonAlpha Institute for Biotechnology in Alabama – Fakultätsforscherin Kankshita Swaminathan, wissenschaftlicher Mitarbeiter Anthony Trieu und ehemaliger Postdoktorand Mohammad Belaffif – und Nancy Reichert, Professorin für biologische Wissenschaften an der Mississippi State University, geleitet.

Swaminathan war Co-Leiter eines internationalen Teams, das das Miscanthus-Genom im Jahr 2020 sequenzierte. Diese Arbeit lieferte einen Fahrplan für Forscher, die neue Wege zur Maximierung der Produktivität der Pflanze und zur Entschlüsselung der genetischen Grundlage für ihre wünschenswerten Eigenschaften erkundeten. Miscanthus ist äußerst anpassungsfähig und einfach zu züchten. Sie kann auf Randgebieten gedeihen, erfordert eine begrenzte Düngung, hat eine hohe Toleranz gegenüber Trockenheit und kühlen Temperaturen und nutzt die effizientere C4-Form der Photosynthese.

Bisher konzentrierten sich die Bemühungen zur genetischen Verbesserung von Miscanthus auf die Transformation von Pflanzen durch Einfügen externer Gene an zufälligen Stellen in ihr Genom, anstatt auf bestimmte Stellen abzuzielen oder vorhandene Gene zu modifizieren.

Das CABBI-Team entwickelte Gen-Editing-Verfahren unter Verwendung von CRISPR/Cas9, die es Forschern ermöglichen werden, vorhandene Gene in Miscanthus-Pflanzen selektiv anzugreifen, um ihre Funktion auszuschalten oder zu modifizieren und neue Gene an genau bestimmten Stellen einzuführen. Diese Targeting-Fähigkeit eröffnet einen neuen Weg zur genetischen Verbesserung dieser wichtigen Biomassepflanze.

Die Studie zeigte Gen-Editing bei drei Miscanthus-Arten – den hochproduktiven Miscanthus x giganteusdas kommerziell für Bioenergie angebaut wird, und seine Eltern, M. sacchariflorus und M. sinensis. Da diese Pflanzen paläopolyploid sind – mit duplizierter alter Sorghum-ähnlicher DNA und mehreren Chromosomensätzen – muss das Design der Leit-RNAs, die genetisches Material für die Bearbeitung lokalisieren, auf alle Kopien eines Gens abzielen, um Redundanz zu berücksichtigen und eine vollständige zu gewährleisten „schlagen.“

Die CABBI-Forscher bauten auf einer ähnlichen Genbearbeitung in Zea Mays (Mais), die das Lemon White 1 (lw1)-Gen als hilfreiches Ziel für die visuelle Bestätigung genetischer Veränderungen identifizierten. Dieses Gen ist an der Chlorophyll- und Carotinoid-Biosynthese beteiligt, die die Blattfarbe beeinflusst, und frühere Studien zeigten, dass die Bearbeitung von lw1 über CRISPR/Cas9 zu blassgrünen/gelben, gestreiften oder weißen Blattphänotypen führte.

Unter Verwendung von Sequenzinformationen sowohl von Miscanthus als auch von Sorghum identifizierten die Forscher Leit-RNAs, die auf Homöologe oder duplizierte Genkopien von lw1 in Miscanthus-Pflanzengewebe abzielen könnten. Die Blätter der bearbeiteten Miscanthus-Pflanzen zeigten die gleichen Phänotypen wie Mais, mit blassgrünen/gelben, gestreiften oder weißen Blättern anstelle des typischen Grüns.

Die Arbeit stärkt die Mission von CABBI, eine nachhaltige Produktion von Bioenergie zu entwickeln und ausgewählte Rohstoffe (Miscanthus, Sorghum und Zuckerrohr) zu entwickeln, um neuartige Bioprodukte wie Öle und Spezialchemikalien herzustellen. Vor dieser Studie beschränkte sich die biotechnologische Arbeit auf Sorghum und Zuckerrohr, da die Methoden für ein präzises Engineering in Chinaschilf noch nicht entwickelt worden waren.

„Die Identifizierung von transformierbarem Keimplasma, die Entwicklung zuverlässiger Transformationsmethoden und die Demonstration der Gen-Editierung bei Miscanthus sind alles entscheidende Schritte in Richtung Pathway Engineering bei Miscanthus“, sagte Swaminathan. „Die Fähigkeit, Miscanthus präzise zu bearbeiten, um die Produktivität zu steigern, ein kontinuierliches Wachstum auf Randgebieten zu ermöglichen und Spezialchemikalien wie Öle herzustellen, wird dazu beitragen, das ‚Potenzial‘ aus seinem Status als lebensfähige Bioenergiepflanze zu entfernen.

„Diese Forschung hilft uns, der Verringerung unserer Abhängigkeit von erdölbasierter Energie ein paar Schritte näher zu kommen.“

Um Miscanthus-Linien zu identifizieren, die sich gut transformierten, untersuchten die Forscher das Keimplasma von kommerziellen Anbietern und den Mitarbeitern der Studie. Die meisten Linien wurden von Co-Autor Erik Sacks, Professor für Pflanzenwissenschaften an der University of Illinois Urbana-Champaign, der Keimplasma aus der ganzen Welt gesammelt hat, geliefert. Sacks und Swaminathan sind stellvertretende Themenleiter für die Forschung zur Rohstoffproduktion von CABBI.

„Dieses Forschungsprojekt war eine hochgradig kooperative, multiinstitutionelle Anstrengung mit Forschern, die fachübergreifend arbeiteten, um ein wichtiges Ziel zu erreichen. Es verstärkte den ‚großen Überblick‘-Ansatz für die Forschung innerhalb von CABBI sowie in anderen BRCs“, sagte Reichert.

Weitere CABBI-Co-Autoren der Studie waren Steve Moose, Professor für Pflanzenwissenschaften in Illinois; Tom Clemente, Eugene W. Price Distinguished Professor of Biotechnology am Center for Plant Science Innovation der University of Nebraska; Postdoktorandin Pradeepa Hirannaiah, Technikerin Shilpa Manjunatha, Praktikantin Rebekah Wood und Workforce Development Specialist Yokshitha Bathula, alle von HudsonAlpha; und wissenschaftliche Mitarbeiterin Rebecca Billingsley und Doktorandin Anjali Arpan aus dem Bundesstaat Mississippi.