Badacze z IGI używają CRISPR do zmiany podstawowej rośliny uprawnej, jaką jest maniok, czyniąc ją bezpieczniejszą i łatwiejszą do spożycia.
Michael Gomez dorastał jedząc maniok ze swoją kolumbijską rodziną. Teraz zajmuje się edycją jego genów.
„Znałem go jako 'yuca’ dorastając. Była to duża część naszej diety. Kiedy pojawiła się szansa pracy nad rośliną, którą regularnie spożywałem z rodziną, pomyślałem, że to świetna okazja”, mówi Gomez, postdoc w Laboratorium Staskawicza w IGI.
Kasawa występuje pod wieloma nazwami: yuca, maniok, muhogo, tapioka. Skrobia z bulwiastych korzeni manioku tworzy perły do żucia w herbacie boba, kleksy w puddingu z tapioki i znajduje się w wielu produktach bezglutenowych. Na całym świecie jest to jedna z najważniejszych roślin okopowych.
„Mniej więcej miliard ludzi na całym świecie polega na manioku jako źródle kalorii, w tym około 40 procent Afrykańczyków. W Stanach Zjednoczonych maniok nie jest tak naprawdę podstawą wyżywienia, ale w wielu częściach świata, szczególnie w tropikach, jest niezwykle ważną rośliną uprawną” – mówi Jessica Lyons, główny badacz projektu edycji genomu manioku w IGI.
Kasawa jest ważna, ale wiąże się z nią również pewien problem, który zainspirował zespół IGI do pracy nad nią: cyjanek. Korzenie kasawy w naturalny sposób wytwarzają prekursor cyjanek. Z czasem spożywanie cyjanku może mieć skutki, które sięgają od subtelnych problemów poznawczych do konzo, ciężkiej choroby charakteryzującej się nagłym i nieodwracalnym paraliżem nóg.
Właściwe przetwarzanie może usunąć cyjanek z manioku, ale wiele osób spożywa maniok niedostatecznie przetworzony. Jest to problem szczególnie w częściach Afryki Subsaharyjskiej, które doświadczyły suszy, głodu i niestabilności. Skutki toksyczności są gorsze w miejscach, gdzie ludzie nie mają łatwego dostępu do białka w diecie, które pomaga w detoksykacji cyjanku i łagodzi jego skutki.
Poza wpływem na zdrowie, przetwarzanie niezbędne do usunięcia cyjanku z manioku jest obciążeniem, które głównie spada na kobiety. Przetwarzanie przemysłowe jest zarówno energochłonne, jak i powoduje powstawanie ścieków zawierających cyjanek.
„Jeśli jesteśmy w stanie zapobiec produkcji cyjanku na początku, może to znacznie przyspieszyć i ułatwić przetwarzanie dla rodzin, a przede wszystkim dla kobiet, które wykonują tę pracę”, mówi Lyons.
Edycja genomu w manioku
Aby maniok wolny od cyjanku stał się rzeczywistością, Lyons, Gomez i zespół badaczy z IGI wykorzystują edycję genomu CRISPR, aby zablokować produkcję cyjanku.
„Po raz pierwszy zastosowaliśmy CRISPR do stworzenia odporności na problematyczną chorobę występującą we wschodniej i środkowej Afryce, zwaną brązową smugą manioku, we współpracy z Danforth Plant Science Center w St. Louis, Missouri”, mówi Gomez. „Użyliśmy CRISPR do namierzenia dwóch konkretnych genów i wykazaliśmy zmniejszenie nasilenia i częstości występowania objawów.”
„Kiedy robisz krzyżówkę, to jest jak wyrzucanie wszystkich cech, zarówno dobrych jak i złych, w powietrze i nie możesz kontrolować tego, co dostaniesz… CRISPR jest dużo, dużo szybszy niż konwencjonalna hodowla i jest precyzyjny.”
Przejście na cyjanek było logicznym kolejnym krokiem dla zespołu IGI i współpracowników z Centrum Danforth. Ścieżka biosyntezy cyjanku w manioku została już dobrze poznana, co zapewniło mapę drogową dla edycji genomu. Ponadto inni badacze wykazali, że możliwe jest zakłócenie tego szlaku za pomocą techniki znanej jako interferencja RNA (RNAi) i wymierne zmniejszenie poziomu cyjanku.
„Edycja genomu jest czystsza niż RNAi. Zapewnia całkowity knockdown i wprowadza zmianę w genomie, która jest zarówno stabilna, jak i dziedziczna” – mówi Lyons.
Konwencjonalne techniki hodowlane mogłyby teoretycznie usunąć cyjanek – choć nie zdarzyło się to jeszcze przez ponad 7000 lat udomowienia. Jednym z wyzwań dla hodowli niepożądanych cech manioku jest fakt, że jest on zazwyczaj uprawiany z sadzonek łodygowych, z których powstają klony rośliny macierzystej. Konwencjonalne podejście zakłada krzyżowanie roślin o pożądanych cechach i hodowanie potomstwa z nasion.
„Hodowla manioku trwa długo, a rośliny nie zawsze kwitną w tym samym czasie. Kiedy dochodzi do krzyżowania, jest to jak wyrzucanie wszystkich cech, zarówno dobrych, jak i złych, w powietrze i nie można kontrolować tego, co otrzymamy w potomstwie. CRISPR jest znacznie, znacznie szybszy niż konwencjonalna hodowla i precyzyjny”, mówi Lyons.
Co dalej z maniokami
Gdy zespół IGI omawia swoją pracę nad maniokami, często pada jedno kluczowe pytanie: Czy cyjanek zawarty w manioku ma jakiś cel?
„Może odgrywać rolę w zwalczaniu roślinożerności, odstraszając niektóre owady i zwierzęta. Jednak wiele szkodników przystosowało się do tolerowania tej toksyny, a niektóre z nich są nawet do niej przyciągane. Jak ważne jest to dla odporności szkodników? Dzięki wyeliminowaniu tego szlaku mamy teraz możliwość naukowego zbadania roli, jaką odgrywa cyjanek”, mówi Gomez.
Minie jeszcze trochę czasu, zanim odmiana manioku wolna od cyjanku będzie dostępna dla rolników. Najpierw potrzebne będą badania terenowe z organizacjami partnerskimi w Afryce, a badania nie zatrzymują się tylko na jednej odmianie.
„Rolnicy w różnych częściach świata mogą wybrać uprawę jednej odmiany nad inną ze względu na smak, wczesną dojrzałość, wysokie plony i inne. Chcielibyśmy zachować tę różnorodność” – mówi Lyons. „To, co jest tak piękne w edycji genomu, to fakt, że możemy opracować metodę, a następnie zastosować ją do innych odmian. Tworzymy platformę, a następnie możemy rozszerzyć ją na inne odmiany preferowane przez rolników.”
Podziękowania dla CropLife International i American Seed Trade Association za przedstawienie tych badań w powyższym filmie.
By Andy Murdock
Andy Murdock posiada tytuł licencjata i doktora biologii integracyjnej UC Berkeley. Przed dołączeniem do IGI jako dyrektor ds. komunikacji, Andy zarządzał komunikacją w zakresie badań dla Biura Prezydenta UC, a także pełnił funkcję redaktora zarządzającego w Airbnb i redaktora cyfrowego w Lonely Planet. Pisma Andy’ego pojawiały się w takich miejscach jak Vox, BBC, Discovery, Washington Post i San Francisco Chronicle.
.