CABBI团队首次在芒草中实现精确基因编辑

研究人员首次成功地证明了芒草的精确基因编辑，芒草是一种有前途的多年生作物，用于可持续生物能源生产。

由能源部资助的生物能源研究中心(BRC)先进生物能源和生物产品创新中心(CABBI)的一个团队使用CRISPR / Cas9编辑了三种芒草物种的基因组 - 这是一种比以前方法更具针对性和更有效的新品种开发方式。

研究结果将加速挖掘这种高产但遗传复杂的草的巨大潜力，作为生物燃料，可再生生物产品和碳封存的来源。这项研究发表在《生物燃料和生物制品的生物技术》上，由阿拉巴马州HudsonAlpha生物技术研究所的三名CABBI芒草研究人员领导 - 教师研究员Kankshita Swaminathan，研究助理Anthony Trieu和前博士后研究员Mohammad Belaffif - 以及密西西比州立大学生物科学教授Nancy Reichert。

斯瓦米纳坦共同领导了一个国际团队，该团队于 2020 年对芒草基因组进行了测序。这项工作为研究人员提供了路线图，探索最大化植物生产力的新方法，并破译其理想性状的遗传基础。芒草适应性极强，易于生长。它可以在边缘土地上茁壮成长，需要有限的施肥，对干旱和凉爽的温度具有很高的耐受性，并使用更有效的C4形式的光合作用。

迄今为止，对芒草进行基因改良的努力集中在通过在基因组中的随机位置引入外部基因来转化植物，而不是针对特定位点或修改现有基因。

CABBI团队使用CRISPR / Cas9开发了基因编辑程序，使研究人员能够选择性地靶向芒草植物中的现有基因，以敲除或修改其功能，并将新基因引入精确位置。这种靶向能力为这种重要的生物质作物的遗传改良提供了新的途径。

该研究证明了三种芒草的基因编辑 - 高产的芒草x giganteus，用于生物能源的商业种植，以及它的父母M. sacchariflorus和M. sinensis。因为这些植物是古多倍体——具有重复的古代高粱样DNA和多组染色体——定位遗传物质进行编辑的引导RNA的设计需要靶向基因的所有拷贝，以解释冗余并确保完全“敲除”。

CABBI研究人员在Zea mays(玉米)中建立了类似的基因编辑，该基因将柠檬白1(lw1)基因确定为视觉确认遗传变化的有用靶标。该基因参与叶绿素和类胡萝卜素的生物合成，影响叶子的颜色，先前的研究表明，通过CRISPR / Cas9编辑lw1会产生淡绿色/黄色，条纹或白色的叶子表型。

利用来自芒草和高粱的序列信息，研究人员确定了可以靶向芒草植物组织中lw1的同源物或重复基因拷贝的向导RNA。编辑过的芒草植物上的叶子显示出与玉米相同的表型，叶子呈淡绿色/黄色、条纹或白色，而不是典型的绿色。

这项工作增强了CABBI的使命，即开发生物能源的可持续生产，并设计选择原料(芒草，高粱和甘蔗)以生产新型生物产品，例如油和特种化学品。在这项研究之前，生物工程工作仅限于高粱和甘蔗，因为尚未开发出芒草精确工程的方法。

“鉴定可转化种质，开发可靠的转化方法，并在芒草中展示基因编辑都是芒草通路工程的关键步骤，”Swaminathan说。“精确编辑芒草以提高生产力，在边缘土地上实现持续增长以及生产油等特种化学品的能力将有助于消除其作为可行生物能源作物地位的'潜力'。

“这项研究帮助我们朝着减少对石油能源的依赖迈出了一步。

为了确定转化良好的芒草品系，研究人员从商业供应商和研究合作者那里筛选了种质。大多数品系由共同作者Erik Sacks提供，他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校作物科学教授，他从世界各地收集了种质。Sacks和Swaminathan是CABBI原料生产研究的副主题负责人。

“这项研究项目是一个高度协作的多机构努力，研究人员跨学科工作以实现一个重要目标。它加强了CABBI内部以及其他BRC内部研究的'大局'方法，“Reichert说。

该研究的其他CABBI合著者包括伊利诺伊州作物科学教授史蒂夫·穆斯;汤姆克莱门特，内布拉斯加大学植物科学创新中心尤金·W·普莱斯生物技术杰出教授;博士后研究员Pradeepa Hirannaiah，技术员Shilpa Manjunatha，实习生Rebekah Wood和劳动力发展专家Yokshitha Bathula，都是HudsonAlpha;以及研究助理丽贝卡·比林斯利和密西西比州立大学的研究生安贾利·阿潘。