Using CRISPR Genome Editing to Make Cyanide-Free Cassava

Výzkumníci z IGI používají CRISPR k úpravě základní plodiny manioku, aby byla bezpečnější a snadněji stravitelná.

Michael Gomez vyrůstal na manioku se svou kolumbijskou rodinou. Nyní upravuje jeho geny.

„Když jsem vyrůstal, znal jsem ho jako ‚yuca‘. Byla velkou součástí našeho jídelníčku. Když se mi naskytla příležitost pracovat na plodině, kterou jsem s rodinou pravidelně konzumoval, považoval jsem to za úžasnou příležitost,“ říká Gomez, postdok ve Staskawiczově laboratoři na IGI.

Kasava má mnoho názvů: yuca, manioc, muhogo, tapioka. Škrob z hlízovitých kořenů manioku tvoří žvýkací perly v čaji boba, kapky v tapiokovém pudinku a nachází se v celé řadě bezlepkových výrobků. Na celém světě je jednou z nejdůležitějších kořenových plodin.

„Zhruba miliarda lidí na celém světě je závislá na manioku jako na zdroji kalorií, včetně asi 40 % Afričanů. V USA maniok není základní potravinou, ale v mnoha částech světa, zejména v tropech, je to neuvěřitelně důležitá plodina,“ říká Jessica Lyonsová, hlavní řešitelka tohoto projektu editace genomu manioku v IGI.

Kasava je důležitá, ale má také zabudovaný problém, který inspiroval tým IGI k práci na ní: kyanid. Kořeny manioku přirozeně produkují prekurzor kyanidu. Po čase může mít konzumace kyanidu účinky, které sahají od nenápadných kognitivních problémů až po konzo, závažné onemocnění charakterizované náhlým a nevratným ochrnutím nohou.

Správným zpracováním lze kyanid z manioku odstranit, ale mnoho lidí jí manioky nedostatečně zpracované. To je problém zejména v částech subsaharské Afriky, které zažily sucho, hladomor a nestabilitu. Účinky toxicity jsou horší v místech, kde lidé nemají snadný přístup k bílkovinám ve stravě, které pomáhají detoxikovat kyanid a zmírňují jeho účinky.

Kromě zdravotních dopadů je zpracování nutné k odstranění kyanidu z manioku zátěží, která dopadá především na ženy. Průmyslové zpracování je jednak energeticky náročné, jednak při něm vznikají odpadní vody s obsahem kyanidu.

„Pokud se nám podaří zabránit vzniku kyanidu hned na začátku, mohlo by se zpracování mnohem urychlit a usnadnit rodinám a především ženám, které tuto práci vykonávají,“ říká Lyons.

Úprava genomu u manioku

Aby se maniok bez kyanidu stal skutečností, Lyons, Gomez a tým výzkumníků z IGI používají k zablokování produkce kyanidu úpravu genomu pomocí CRISPR.

„Nejprve jsme ve spolupráci s Danforth Plant Science Center v St Louis ve státě Missouri použili CRISPR k vytvoření rezistence vůči problematické chorobě ve východní a střední Africe zvané cassava brown streak disease,“ říká Gomez. „Použili jsme CRISPR k cílení na dva specifické geny a prokázali jsme snížení závažnosti a výskytu symptomů.“

„Když děláte křížení, je to jako vyhazovat všechny vlastnosti, dobré i špatné, do vzduchu a nemůžete kontrolovat, co dostanete… CRISPR je mnohem, mnohem rychlejší než konvenční šlechtění a je přesný.“

Přechod na kyanid byl pro tým IGI a spolupracovníky z Danforthova centra dalším logickým krokem. Biosyntetická dráha kyanidu v manioku již byla dobře pochopena, což poskytlo plán pro editaci genomu. Navíc jiní výzkumníci ukázali, že je možné do této dráhy zasáhnout pomocí techniky známé jako RNA interference (RNAi) a měřitelně snížit hladinu kyanidu.

„Editace genomu je čistší než RNAi. Zajistí úplné vyřazení a provede změnu v genomu, která je stabilní a dědičná,“ říká Lyons.

Konvenční šlechtitelské techniky by teoreticky mohly kyanid odstranit – i když se tak za více než 7000 let domestikace zatím nestalo. Jedním z problémů při šlechtění nežádoucích vlastností manioku je, že se obvykle pěstuje ze stonkových řízků, čímž vznikají klony mateřské rostliny. Konvenční přístup zahrnuje křížení rostlin s žádoucími vlastnostmi a pěstování potomstva ze semen.

„Šlechtění manioku trvá dlouho a rostliny nekvetou vždy ve stejnou dobu. Když provedete křížení, je to jako vyhodit všechny vlastnosti, dobré i špatné, do vzduchu a nemůžete kontrolovat, co získáte v potomstvu. CRISPR je mnohem, mnohem rychlejší než konvenční šlechtění a je přesný,“ říká Lyons.

Co bude dál s maniokem

Když tým IGI mluví o své práci na manioku, často se ho ptají na jednu klíčovou otázku:

„Může hrát roli v boji proti herbivorii a odrazovat některé druhy hmyzu a živočichů. Mnoho škůdců se však vyvinulo tak, že tento toxin tolerují, přičemž některé dokonce přitahuje. Jak velký význam má pro odolnost škůdců? Vyřazením této cesty máme nyní možnost vědecky studovat roli, kterou kyanid hraje,“ říká Gomez.

Ještě nějakou dobu potrvá, než bude pro zemědělce k dispozici odrůda manioku bez kyanidu. Nejprve bude třeba provést polní studie s partnerskými organizacemi v Africe a výzkum se nezastaví pouze u jedné odrůdy.

„Zemědělci v různých částech světa se mohou rozhodnout pěstovat jednu odrůdu místo druhé kvůli chuti, časné zralosti, vysokým výnosům a dalším důvodům. Rádi bychom tuto rozmanitost zachovali,“ říká Lyons. „Na editaci genomu je krásné to, že můžeme vyvinout metodu a pak ji aplikovat na další odrůdy. Vytváříme platformu a pak ji můžeme rozšířit na další odrůdy, které zemědělci preferují.“

Děkujeme společnostem CropLife International a American Seed Trade Association za profilování tohoto výzkumu ve výše uvedeném videu.

.