Using CRISPR Genome Editing to Make Cyanide-Free Cassava

I ricercatori dell’IGI stanno usando CRISPR per alterare la cassava, rendendola più sicura e facile da mangiare.

Michael Gomez è cresciuto mangiando cassava con la sua famiglia colombiana. Ora ne sta modificando i geni.

“L’ho conosciuta come ‘yuca’ crescendo. Era una parte importante della nostra dieta. Quando ho avuto la possibilità di lavorare su una coltura che avrei consumato regolarmente con la famiglia, ho pensato che fosse una grande opportunità”, dice Gomez, un postdoc nel laboratorio Staskawicz all’IGI.

La Cassava ha molti nomi: yuca, manioca, muhogo, tapioca. L’amido delle radici tuberose della manioca produce le perle gommose del tè boba, i blob del budino di tapioca e si trova in un’ampia varietà di prodotti senza glutine. In tutto il mondo, è una delle più importanti colture di radici.

“Circa un miliardo di persone nel mondo dipendono dalla manioca come fonte di calorie, tra cui circa il 40% degli africani. La manioca non è davvero un fiocco negli Stati Uniti, ma in molte parti del mondo, in particolare nei tropici, è una coltura incredibilmente importante”, dice Jessica Lyons, ricercatore principale di questo progetto di editing del genoma della manioca all’IGI.

La manioca è importante, ma viene anche con un problema incorporato che ha ispirato il team IGI a lavorare su di essa: cianuro. Le radici della Cassava producono naturalmente il precursore del cianuro. Nel corso del tempo, il consumo di cianuro può avere effetti che vanno da sottili problemi cognitivi al konzo, una grave malattia caratterizzata da improvvisa e irreversibile paralisi delle gambe.

Una corretta lavorazione può rimuovere il cianuro dalla cassava, ma molte persone mangiano cassava non sufficientemente lavorata. Questo è un problema soprattutto nelle parti dell’Africa sub-sahariana che hanno sperimentato siccità, carestia e instabilità. Gli effetti della tossicità sono peggiori in luoghi dove le persone non hanno facile accesso alle proteine nella loro dieta, che aiutano a disintossicare il cianuro e a mitigarne gli effetti.

Oltre agli impatti sulla salute, la lavorazione necessaria per rimuovere il cianuro dalla cassava è un peso che ricade principalmente sulle donne. La lavorazione industriale è ad alta intensità energetica e produce acque reflue contenenti cianuro.

“Se siamo in grado di prevenire la produzione di cianuro per cominciare, potrebbe rendere la lavorazione molto più veloce e più facile per le famiglie e soprattutto le donne che fanno il lavoro”, dice Lyons.

Modifica del genoma nella Cassava

Per rendere la cassava senza cianuro una realtà, Lyons, Gomez e il team di ricercatori dell’IGI stanno usando la modifica del genoma CRISPR per bloccare la produzione di cianuro.

“Abbiamo prima applicato CRISPR per ingegnerizzare la resistenza a una malattia problematica nell’Africa orientale e centrale chiamata cassava brown streak disease, in collaborazione con il Danforth Plant Science Center di St. Louis, Missouri”, dice Gomez. “Abbiamo usato CRISPR per colpire due geni specifici e abbiamo mostrato una riduzione della gravità e dell’incidenza dei sintomi.”

“Quando si fa un incrocio, è come lanciare in aria tutti i tratti, sia buoni che cattivi, e non si può controllare ciò che si ottiene… CRISPR è molto, molto più veloce del breeding convenzionale ed è preciso.”

Il passaggio al cianuro è stato un passo successivo logico per il team dell’IGI e i collaboratori del Danforth Center. Il percorso biosintetico del cianuro nella manioca era già ben compreso, il che ha fornito una road map per l’editing del genoma. Inoltre, altri ricercatori hanno dimostrato che era possibile interferire con questo percorso utilizzando una tecnica nota come interferenza RNA (RNAi) e ridurre in modo misurabile i livelli di cianuro.

“L’editing del genoma è più pulito di RNAi. Fornisce un knockdown completo e fa un cambiamento nel genoma che è sia stabile che ereditabile”, dice Lyons.

Le tecniche di allevamento convenzionali potrebbero, in teoria, rimuovere il cianuro – sebbene non sia ancora successo in oltre 7000 anni di domesticazione. Una sfida per l’eliminazione dei tratti indesiderati dalla manioca è che essa è tipicamente coltivata da talee di fusto, producendo cloni della pianta madre. L’approccio convenzionale prevede l’incrocio di piante con caratteristiche desiderabili e la coltivazione della prole da seme.

“L’allevamento della manioca richiede molto tempo, e le piante non sempre fioriscono allo stesso tempo. Quando si fa un incrocio, è come gettare in aria tutti i tratti, sia buoni che cattivi, e non si può controllare cosa si ottiene nella prole. CRISPR è molto, molto più veloce dell’allevamento convenzionale, ed è preciso”, dice Lyons.

Che cosa c’è dopo per la Cassava

Quando il team IGI discute il suo lavoro sulla cassava, gli viene spesso posta una domanda chiave: Il cianuro nella manioca ha uno scopo?

“Può avere un ruolo nell’antierbivoro, scoraggiando alcuni insetti e animali. Tuttavia, molti parassiti si sono evoluti per tollerare questa tossina e alcuni ne sono addirittura attratti. Quanto è importante per la resistenza dei parassiti? Bloccando il percorso, ora abbiamo un modo per studiare scientificamente il ruolo del cianuro”, dice Gomez.

Ci vorrà ancora del tempo prima che una varietà di manioca senza cianuro sia disponibile per gli agricoltori. In primo luogo, saranno necessari studi sul campo con organizzazioni partner in Africa, e la ricerca non si sta fermando ad una sola varietà.

“Gli agricoltori in diverse parti del mondo possono scegliere di coltivare una varietà piuttosto che un’altra a causa del gusto, della maturità precoce, dell’alto rendimento e altro. Vorremmo preservare questa diversità”, dice Lyons. “La cosa bella dell’editing del genoma è che possiamo sviluppare il metodo e poi applicarlo ad altre varietà. Stiamo creando la piattaforma, e poi possiamo espanderci ad altre varietà che gli agricoltori preferiscono.”

Grazie a CropLife International e all’American Seed Trade Association per aver profilato questa ricerca nel video qui sopra.