Udfører CRISPR-genomredigering for at lave cyanidfri cassava

IGI-forskere bruger CRISPR til at ændre den almindelige afgrøde cassava, så den bliver mere sikker og nemmere at spise.

Michael Gomez voksede op med sin colombianske familie og spiste cassava. Nu redigerer han dens gener.

“Jeg kendte den som “yuca”, da jeg voksede op. Det var en stor del af vores kost. Da jeg fik mulighed for at arbejde med en afgrøde, som jeg spiste regelmæssigt med familien, syntes jeg, at det var en fantastisk mulighed”, siger Gomez, der er postdoc i Staskawicz Lab på IGI.

Cassava har mange navne: yuca, manioc, muhogo, tapioca. Stivelse fra kassavaens knoldede rødder giver de tygge perler i boba-te, klatterne i tapioka-pudding, og den findes i en lang række glutenfri produkter. På verdensplan er det en af de vigtigste rodfrugter.

“Omkring en milliard mennesker i verden er afhængige af cassava som en kilde til kalorier, herunder omkring 40 procent af afrikanerne. Cassava er ikke rigtig en basisfødevare i USA, men i mange dele af verden, især i troperne, er det en utrolig vigtig afgrøde,” siger Jessica Lyons, hovedundersøger på dette cassava-genomredigeringsprojekt hos IGI.

Cassava er vigtig, men den har også et indbygget problem, som inspirerede IGI-holdet til at arbejde med den: cyanid. Cassavarødder producerer naturligt et forstadie til cyanid. Over tid kan indtagelse af cyanid have virkninger, der spænder fra subtile kognitive problemer til konzo, en alvorlig sygdom, der er kendetegnet ved pludselig og irreversibel lammelse af benene.

En korrekt forarbejdning kan fjerne cyanid fra kassava, men mange mennesker spiser utilstrækkeligt forarbejdet kassava. Dette er især et problem i de dele af Afrika syd for Sahara, der har oplevet tørke, hungersnød og ustabilitet. Virkningerne af giftigheden er værre de steder, hvor folk ikke har let adgang til protein i deres kost, som hjælper med at afgifte cyanid og afbøde dets virkninger.

Ud over de sundhedsmæssige virkninger er den forarbejdning, der er nødvendig for at fjerne cyanidet fra kassava, en byrde, der hovedsageligt påhviler kvinderne. Industriel forarbejdning er både energikrævende og producerer cyanidholdigt spildevand.

“Hvis vi er i stand til at forhindre cyanidproduktion til at begynde med, kan det gøre forarbejdningen så meget hurtigere og lettere for familierne og primært for de kvinder, der udfører arbejdet”, siger Lyons.

Genome Editing in Cassava

For at gøre cyanidfri kassava til en realitet bruger Lyons, Gomez og forskerholdet på IGI CRISPR-genomredigering til at blokere produktionen af cyanid.

“Vi anvendte først CRISPR til at skabe resistens mod en problematisk sygdom i Øst- og Centralafrika, kaldet cassava brown streak disease, i samarbejde med Danforth Plant Science Center i St. Louis, Missouri”, siger Gomez. “Vi brugte CRISPR til at målrette to specifikke gener og viste en reduktion i sværhedsgrad og forekomst af symptomer.”

“Når man laver en krydsning, er det som at kaste alle egenskaber, både gode og dårlige, op i luften, og man kan ikke kontrollere, hvad man får… CRISPR er meget, meget hurtigere end konventionel avl, og det er præcist.”

Det var et logisk næste skridt for IGI-holdet og samarbejdspartnere på Danforth Centeret at gå over til cyanid. Den biosyntetiske vej for cyanid i kassava var allerede godt forstået, hvilket gav en køreplan for genomredigering. Desuden viste andre forskere, at det var muligt at gribe ind i denne vej ved hjælp af en teknik, der er kendt som RNA-interferens (RNAi), og reducere cyanidniveauerne målbart.

“Genome editing er renere end RNAi. Det giver en fuldstændig knockdown og skaber en ændring i genomet, som er både stabil og arvelig,” siger Lyons.

Konventionelle avlsmetoder kunne i teorien fjerne cyanid – men det er endnu ikke sket i over 7000 års domesticering. En af udfordringerne ved at forædle uønskede egenskaber ud af maniok er, at den typisk dyrkes fra stiklinger, hvilket giver kloner af moderplanten. Den konventionelle fremgangsmåde indebærer krydsning af planter med de ønskede egenskaber og dyrkning af afkommet fra frø.

“Cassava-forædling tager lang tid, og planterne blomstrer ikke altid på samme tid. Når man laver en krydsning, er det som at kaste alle egenskaberne, både gode og dårlige, op i luften, og man kan ikke kontrollere, hvad man får i afkommet. CRISPR er meget, meget hurtigere end konventionel avl, og det er præcist,” siger Lyons.

Hvad er det næste for kassava

Når IGI-holdet diskuterer deres arbejde med kassava, bliver de ofte stillet ét vigtigt spørgsmål: Har cyanidet i cassava et formål?

“Det kan spille en rolle i anti-herbivori, idet det afskrækker nogle insekter og dyr. Mange skadedyr har imidlertid udviklet sig til at tolerere dette toksin, og nogle er endda tiltrukket af det. Hvor vigtigt er det for skadedyrsresistens? Ved at slå vejen ud har vi nu en måde, hvorpå vi videnskabeligt kan undersøge den rolle, som cyanid spiller,” siger Gomez.

Det vil stadig vare et stykke tid, før en cyanidfri cassavasort er tilgængelig for landmændene. Først vil der være behov for feltundersøgelser sammen med partnerorganisationer i Afrika, og forskningen stopper ikke ved blot én sort.

“Landmænd i forskellige dele af verden kan vælge at dyrke en sort frem for en anden på grund af smag, tidlig modenhed, højt udbytte og meget mere. Vi vil gerne bevare denne mangfoldighed”, siger Lyons. “Det smukke ved genome editing er, at vi kan udvikle metoden og derefter anvende den på andre sorter. Vi skaber platformen, og så kan vi udvide den til andre sorter, som landmændene foretrækker.”

Tak til CropLife International og American Seed Trade Association for at profilere denne forskning i videoen ovenfor.