IGI-onderzoekers gebruiken CRISPR om het basisgewas cassave te veranderen, waardoor het veiliger en gemakkelijker te eten wordt.
Michael Gomez groeide op met het eten van cassave met zijn Colombiaanse familie. Nu bewerkt hij de genen ervan.
“Ik kende het als ‘yuca’ toen ik opgroeide. Het was een groot deel van ons dieet. Toen ik de kans kreeg om te werken aan een gewas dat ik regelmatig met mijn familie zou eten, vond ik dat een geweldige kans,” zegt Gomez, een postdoc in het Staskawicz Lab van het IGI.
Cassava heeft vele namen: yuca, manioc, muhogo, tapioca. Het zetmeel van de wortelknollen van cassave maken de kauwparels in boba thee, de klodders in tapioca pudding, en het is te vinden in een breed scala van glutenvrije producten. Wereldwijd is het een van de belangrijkste wortelgewassen.
“Ruwweg een miljard mensen in de wereld zijn afhankelijk van cassave als bron van calorieën, waaronder ongeveer 40 procent van de Afrikanen. Cassave is niet echt een hoofdgewas in de VS, maar in veel delen van de wereld, vooral in de tropen, is het een ongelooflijk belangrijk gewas,” zegt Jessica Lyons, hoofdonderzoeker van dit cassave-genoombewerkingsproject bij het IGI.
Cassave is belangrijk, maar het komt ook met een ingebouwd probleem dat het IGI-team inspireerde om eraan te werken: cyanide. Cassavewortels produceren van nature de precursor van cyanide. Na verloop van tijd kan het consumeren van cyanide effecten hebben die variëren van subtiele cognitieve problemen tot konzo, een ernstige ziekte die wordt gekenmerkt door plotselinge en onomkeerbare verlamming van de benen.
De juiste verwerking kan cyanide uit cassave verwijderen, maar veel mensen eten onvoldoende verwerkte cassave. Dit is vooral een probleem in delen van Afrika ten zuiden van de Sahara die te maken hebben gehad met droogte, hongersnood en instabiliteit. De gevolgen van de giftigheid zijn erger op plaatsen waar mensen niet gemakkelijk toegang hebben tot eiwitten in hun dieet, die cyanide helpen ontgiften en de effecten ervan verzachten.
Naast de gevolgen voor de gezondheid is de verwerking die nodig is om de cyanide uit cassave te verwijderen, een last die vooral op vrouwen rust. Industriële verwerking is zowel energie-intensief als produceert afvalwater met cyanide.
“Als we in staat zijn om cyanideproductie te voorkomen, zou het de verwerking zo veel sneller en gemakkelijker kunnen maken voor gezinnen en vooral voor de vrouwen die het werk doen,” zegt Lyons.
Genome Editing in Cassava
Om cyanidevrije cassave een realiteit te maken, gebruiken Lyons, Gomez en het team van onderzoekers van het IGI CRISPR-genoombewerking om de productie van cyanide te blokkeren.
“We hebben CRISPR eerst toegepast om resistentie te ontwikkelen tegen een problematische ziekte in Oost- en Centraal-Afrika genaamd cassave brown streak disease, in samenwerking met het Danforth Plant Science Center in St. Louis, Missouri,” zegt Gomez. Louis, Missouri. “We gebruikten CRISPR om ons te richten op twee specifieke genen en toonden een vermindering in de ernst en incidentie van de symptomen.”
“Wanneer je een kruising maakt, is het alsof je alle eigenschappen, zowel goede als slechte, in de lucht gooit en je kunt niet controleren wat je krijgt… CRISPR is veel, veel sneller dan conventionele veredeling, en het is nauwkeurig.”
De overstap naar cyanide was een logische volgende stap voor het IGI-team en de medewerkers van het Danforth Center. De biosynthetische route van cyanide in cassave was al goed begrepen, wat een routekaart bood voor genoombewerking. Bovendien toonden andere onderzoekers aan dat het mogelijk was om met een techniek die bekend staat als RNA-interferentie (RNAi) in deze route in te grijpen en de cyanideniveaus meetbaar te verlagen.
“Genoombewerking is zuiverder dan RNAi. Het zorgt voor een volledige uitschakeling en brengt een verandering in het genoom aan die zowel stabiel als erfelijk is,” zegt Lyons.
Conventionele veredelingstechnieken zouden in theorie cyanide kunnen verwijderen – hoewel dit nog niet is gebeurd in de meer dan 7000 jaar van domesticatie. Een van de problemen bij het veredelen van ongewenste eigenschappen uit cassave is dat cassave meestal wordt geteeld uit stengelstekken, waardoor klonen van de moederplant ontstaan. De conventionele aanpak bestaat uit het kruisen van planten met gewenste eigenschappen en het kweken van de nakomelingen uit zaad.
“Cassave veredelen duurt lang, en de planten bloeien niet altijd op hetzelfde moment. Als je een kruising maakt, is het alsof je alle eigenschappen, zowel goede als slechte, in de lucht gooit en je hebt geen controle over wat je in het nageslacht krijgt. CRISPR is veel, veel sneller dan conventionele veredeling, en het is nauwkeurig,” zegt Lyons.
What’s Next for Cassava
Wanneer het IGI-team hun cassave-werk bespreekt, wordt hen vaak één belangrijke vraag gesteld: Dient de cyanide in cassave een doel?
“Het kan een rol spelen in de anti-herbivoor, door sommige insecten en dieren af te schrikken. Veel plagen zijn echter geëvolueerd om dit toxine te tolereren en sommigen worden er zelfs door aangetrokken. Hoe belangrijk is het voor de resistentie van plaaginsecten? Door de pathway uit te schakelen, hebben we nu een manier om de rol die cyanide speelt wetenschappelijk te bestuderen,” zegt Gomez.
Het zal nog wel even duren voordat een cyanidevrije cassavesoort beschikbaar is voor boeren. Eerst zullen veldstudies nodig zijn met partnerorganisaties in Afrika, en het onderzoek stopt niet bij slechts één variëteit.
“Boeren in verschillende delen van de wereld kunnen ervoor kiezen om een variëteit te verbouwen boven een andere vanwege smaak, vroege rijpheid, hoge opbrengst, en meer. Die diversiteit willen we graag behouden,” zegt Lyons. “Het mooie van genome editing is dat we de methode kunnen ontwikkelen en vervolgens toepassen op andere rassen. We creëren het platform, en dan kunnen we uitbreiden naar andere variëteiten waar boeren de voorkeur aan geven.”
Dank aan CropLife International en de American Seed Trade Association voor het profileren van dit onderzoek in de video hierboven.
Door Andy Murdock
Andy Murdock heeft een B.A. en Ph.D. in Integratieve Biologie van UC Berkeley. Voordat hij bij het IGI kwam als Communications Director, beheerde Andy de onderzoekscommunicatie voor het UC Office of the President, en was hij managing editor voor Airbnb en digitaal redacteur voor Lonely Planet. Andy heeft geschreven voor onder andere Vox, BBC, Discovery, de Washington Post en de San Francisco Chronicle.