Mit CRISPR-Genom-Editierung zu cyanidfreiem Maniok

IGI-Forscher verwenden CRISPR, um das Grundnahrungsmittel Maniok zu verändern und es sicherer und leichter genießbar zu machen.

Michael Gomez wuchs mit seiner kolumbianischen Familie mit Maniok auf. Jetzt bearbeitet er die Gene des Manioks.

„Als ich aufwuchs, kannte ich ihn als ‚Yuca‘. Es war ein wichtiger Bestandteil unserer Ernährung. Als sich mir die Möglichkeit bot, an einer Kulturpflanze zu arbeiten, die ich regelmäßig mit meiner Familie verzehrte, hielt ich das für eine großartige Gelegenheit“, sagt Gomez, Postdoc im Staskawicz-Labor am IGI.

Cassava hat viele Namen: Yuca, Maniok, Muhogo, Tapioka. Die Stärke aus den Maniokwurzeln ergibt die zähen Perlen im Boba-Tee, die Klümpchen im Tapioka-Pudding und ist in einer Vielzahl glutenfreier Produkte enthalten. Weltweit ist sie eine der wichtigsten Hackfrüchte.

„Etwa eine Milliarde Menschen auf der Welt sind auf Maniok als Kalorienquelle angewiesen, darunter etwa 40 Prozent der Afrikaner. In den USA ist Maniok nicht wirklich ein Grundnahrungsmittel, aber in vielen Teilen der Welt, vor allem in den Tropen, ist es eine unglaublich wichtige Kulturpflanze“, sagt Jessica Lyons, Leiterin des Maniok-Genom-Editierungsprojekts am IGI.

Maniok ist wichtig, aber es gibt auch ein eingebautes Problem, das das IGI-Team zu seiner Arbeit inspiriert hat: Zyanid. Maniokwurzeln produzieren auf natürliche Weise die Vorstufe von Zyanid. Im Laufe der Zeit kann der Verzehr von Zyanid Auswirkungen haben, die von subtilen kognitiven Problemen bis hin zu Konzo reichen, einer schweren Krankheit, die durch plötzliche und irreversible Lähmung der Beine gekennzeichnet ist.

Durch eine ordnungsgemäße Verarbeitung kann Zyanid aus Maniok entfernt werden, aber viele Menschen essen unzureichend verarbeiteten Maniok. Dies ist vor allem in Teilen Afrikas südlich der Sahara ein Problem, die von Dürre, Hungersnot und Instabilität betroffen sind. Die Auswirkungen der Toxizität sind dort noch schlimmer, wo die Menschen keinen einfachen Zugang zu Proteinen in ihrer Ernährung haben, die bei der Entgiftung von Zyanid helfen und dessen Auswirkungen abschwächen.

Abgesehen von den gesundheitlichen Auswirkungen ist die Verarbeitung, die notwendig ist, um das Zyanid aus dem Maniok zu entfernen, eine Belastung, die hauptsächlich von Frauen getragen wird. Die industrielle Verarbeitung ist sowohl energieintensiv als auch mit Zyanid belastetes Abwasser.

„Wenn es uns gelingt, die Zyanidproduktion von vornherein zu verhindern, könnte dies die Verarbeitung für die Familien und vor allem für die Frauen, die diese Arbeit verrichten, sehr viel schneller und einfacher machen“, sagt Lyons.

Genom-Editierung in Maniok

Um cyanidfreien Maniok Wirklichkeit werden zu lassen, setzen Lyons, Gomez und das Forscherteam am IGI CRISPR-Genom-Editierung ein, um die Produktion von Cyanid zu verhindern.

„Wir haben CRISPR zunächst eingesetzt, um in Zusammenarbeit mit dem Danforth Plant Science Center in St. Louis, Missouri, eine Resistenz gegen eine problematische Krankheit in Ost- und Zentralafrika, die Maniok-Braunstreifenkrankheit, zu entwickeln“, sagt Gomez. „

„Wenn man eine Kreuzung vornimmt, ist es, als würde man alle guten und schlechten Eigenschaften in die Luft werfen, und man kann nicht kontrollieren, was dabei herauskommt… CRISPR ist viel, viel schneller als die konventionelle Züchtung, und es ist präzise.“

Der Wechsel zu Cyanid war ein logischer nächster Schritt für das IGI-Team und seine Mitarbeiter am Danforth Center. Der Biosyntheseweg von Cyanid in Maniok war bereits gut bekannt, was eine Grundlage für die Genom-Editierung bot. Darüber hinaus hatten andere Forscher gezeigt, dass es möglich ist, diesen Stoffwechselweg mit Hilfe einer als RNA-Interferenz (RNAi) bezeichneten Technik zu unterbrechen und den Cyanidgehalt messbar zu senken.

„Genome Editing ist sauberer als RNAi. Es bietet einen vollständigen Knockdown und bewirkt eine Veränderung im Genom, die sowohl stabil als auch vererbbar ist“, sagt Lyons.

Konventionelle Züchtungstechniken könnten theoretisch Cyanid entfernen – allerdings ist dies in über 7000 Jahren Domestikation noch nicht geschehen. Eine Herausforderung bei der Züchtung unerwünschter Eigenschaften von Maniok besteht darin, dass die Pflanze in der Regel aus Stecklingen gezogen wird, aus denen Klone der Mutterpflanze entstehen. Der konventionelle Ansatz besteht darin, Pflanzen mit erwünschten Eigenschaften zu kreuzen und die Nachkommen aus Samen zu züchten.

„Die Maniokzucht dauert lange, und die Pflanzen blühen nicht immer zur gleichen Zeit. Wenn man eine Kreuzung vornimmt, ist es so, als würde man alle Eigenschaften, sowohl die guten als auch die schlechten, in die Luft werfen, und man kann nicht kontrollieren, was man in den Nachkommen erhält. CRISPR ist viel, viel schneller als konventionelle Züchtung, und es ist präzise“, sagt Lyons.

Wie geht es weiter mit Maniok

Wenn das IGI-Team über seine Arbeit an Maniok spricht, wird ihm oft eine wichtige Frage gestellt: Dient das Zyanid in der Maniokpflanze einem bestimmten Zweck?

„Es kann eine Rolle bei der Abwehr von Pflanzenfressern spielen und einige Insekten und Tiere abschrecken. Viele Schädlinge haben sich jedoch so entwickelt, dass sie dieses Toxin tolerieren, einige werden sogar davon angezogen. Wie wichtig ist es für die Resistenz der Schädlinge? Indem wir den Stoffwechselweg ausschalten, haben wir jetzt eine Möglichkeit, die Rolle von Cyanid wissenschaftlich zu untersuchen“, sagt Gomez.

Es wird noch einige Zeit dauern, bis eine cyanidfreie Manioksorte für Landwirte verfügbar ist. Zunächst sind Feldstudien mit Partnerorganisationen in Afrika erforderlich, und die Forschung beschränkt sich nicht nur auf eine Sorte.

„Landwirte in verschiedenen Teilen der Welt ziehen vielleicht eine Sorte einer anderen vor, sei es wegen des Geschmacks, der frühen Reife, der hohen Erträge und mehr. Wir möchten diese Vielfalt bewahren“, sagt Lyons. „Das Schöne an der Genom-Editierung ist, dass wir die Methode entwickeln und sie dann auf andere Sorten anwenden können. Wir schaffen die Plattform und können sie dann auf andere Sorten ausweiten, die die Landwirte bevorzugen.“

Danke an CropLife International und die American Seed Trade Association für die Darstellung dieser Forschung im obigen Video.