Wyższe plony i większa odporność na stres dzięki multipleksowej edycji genów
Wiele genów reguluje cechy, które wpływają na plony i tolerancję na niekorzystne warunki, a proces identyfikacji roślin posiadających te pożądane cechy zazwyczaj obejmuje badania przesiewowe dużych populacji roślin krzyżowanych. Choć dziesięciolecia biologii molekularnej roślin pozwoliły zidentyfikować wiele mechanizmów wpływających na wielkość plonów i tolerancję na stres, możliwości wykorzystania tych odkryć są nadal ograniczone. „Choć udało się usprawnić hodowlę dzięki markerom genetycznym i losowej mutagenezie(odnośnik otworzy się w nowym oknie), nadal jest bardzo czasochłonna i wymaga dużych zasobów”, mówi Dirk Inze(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu BREEDIT, który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Jak twierdzi Inze, pracownik Flamandzkiego Instytutu Biotechnologii, który pełnił rolę gospodarza projektu, głównym powodem jest to, że „praktycznie niemożliwe jest przewidzenie, która kombinacja genów o pomijalnym działaniu musi zostać zmodyfikowana, aby uzyskać pożądany rezultat”. Zakres wyzwania potęguje olbrzymia ilość danych wynikających z prób przedstawienia największej liczby kombinacji genów z dużego zbioru. Zaczynając od 60 genów związanych z wydajnością plonów, zespół projektu BREEDIT połączył konwencjonalną hodowlę i techniki edycji genów w celu zidentyfikowania kombinacji genów, które skutkują pożądanymi fenotypami plonów lub tolerancją na stres. „Chociaż udało nam się opracować dowód słuszności koncepcji w przypadku kukurydzy, podejście wypracowane w ramach projektu BREEDIT ma zastosowanie do wielu roślin uprawnych”, dodaje Inze.
Rewolucja w odwróconej genetyce
Innowacja opracowana przez zespół BREEDIT opiera się zarówno na wykorzystaniu dużej liczby genów kandydujących odpowiedzialnych za daną cechę upraw, jak i na opracowaniu podejścia umożliwiającego testowanie możliwie największej liczby kombinacji genów wyższego rzędu w celu poprawy danej cechy. Mutacje zostały stworzone przy pomocy techniki CRISPR/Cas9(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Konstrukty 'SCRIPT' wskazujące konstruktowi edytującemu (EDITOR), gdzie należy dokonać zmiany, zostały zastosowane do 12 różnych genów kukurydzy. Krzyżowanie roślin z innymi roślinami zawierającymi inne konstrukty SCRIPT, a w związku z tym różne zmutowane geny, pozwalało na uzyskanie innych kombinacji mutacji. W sumie wykorzystano pięć różnych konstruktów SCRIPT, reprezentujących 60 genów związanych ze wzrostem. „Zastosowanie takiego podejścia pozwoliło na wyeliminowanie znacznie większej liczby elementów sieci regulacyjnych genów niż doświadczenia skupione wyłącznie na kilku genach, co przełożyło się na ich nowe połączenia, które miały głębszy wpływ na cechy roślin”, wyjaśnia Inze. Fenotypy roślin zawierających te multipleksowe (wielokrotne) mutacje były następnie monitorowane na różnych etapach rozwoju. Kukurydza w stadium siewki została poddana badaniom fenotypowym pod kątem interesujących cech wzrostu, w wyniku czego badacze uzyskali zbiór danych obejmujący ponad 6 000 siewek. Następnie przeanalizowali je przy użyciu zaawansowanych narzędzi uczenia maszynowego. Wśród najbardziej obiecujących grup były populacje dojrzałych roślin badane przy pomocy zautomatyzowanej platformy fenotypowania PHENOVISION(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wykorzystującej obrazowanie wizualne i hiperspektralne przez cały cykl życia roślin. „Stwierdziliśmy, że rośliny kukurydzy są w stanie produkować więcej biomasy zarówno w warunkach dobrego nawodnienia, jak i suszy. Ponadto zidentyfikowaliśmy edycję genów, która doprowadziła do modyfikacji architektury roślin, w tym szerokości łodygi i zwiększenia ilości nasion”, mówi Inze.
Plany komercjalizacji wpływają na pożądane cechy i rośliny uprawne
Ze względu na to, że Europa stawia czoła negatywnym skutkom zmiany klimatu wpływającym na produkcję żywności, rośnie zapotrzebowanie na nowe rośliny uprawne dostosowane do klimatu. Rozwiązanie opracowane w ramach projektu BREEDIT może pomóc przyspieszyć tworzenie takich upraw, a także promować bardziej zrównoważone rolnictwo. W tym celu zespół przeprowadzi oceny wybranych i najbardziej obiecujących kombinacji mutacji w celu ich dalszego rozwoju. Jednocześnie podejście wypracowane w ramach projektu BREEDIT zwróciło uwagę partnerów komercyjnych, czego efektem jest spółka spin-off RAINBOW CROPS(odnośnik otworzy się w nowym oknie), której celem jest rozszerzenie koncepcji na nowe cechy i uprawy. „Sukces programu edycji genów w ramach projektu BREEDIT był ograniczony do szklarni - teraz musi zostać powtórzony na polach. Co więcej, choć projekt BREEDIT skupiał się na dezaktywacji genów, możemy również eksperymentować z ich aktywacją w miarę poszerzania wiedzy na temat ich funkcji”, zauważa Inze.
