Utilizarea editării CRISPR a genomului pentru a produce manioc fără cianură

Cercetătorii de laIGI folosesc CRISPR pentru a modifica cultura de bază de manioc, făcându-l mai sigur și mai ușor de consumat.

Michael Gomez a crescut mâncând manioc cu familia sa columbiană. Acum, el îi editează genele.

„Am cunoscut-o ca ‘yuca’ în copilărie. Era o parte importantă din dieta noastră. Când am avut șansa de a lucra la o cultură pe care o consumam în mod regulat cu familia, m-am gândit că este o oportunitate extraordinară”, spune Gomez, postdoctorand în cadrul Laboratorului Staskawicz de la IGI.

Casava poartă mai multe nume: yuca, manioc, muhogo, tapioca. Amidonul din rădăcinile tuberoase de manioc face perlele mestecabile din ceaiul boba, picăturile din budinca de tapioca și se găsește într-o mare varietate de produse fără gluten. La nivel mondial, este una dintre cele mai importante culturi de rădăcini.

„Aproximativ un miliard de oameni din întreaga lume se bazează pe cassava ca sursă de calorii, inclusiv aproximativ 40 la sută dintre africani. Cassava nu este cu adevărat un aliment de bază în SUA, dar în multe părți ale lumii, în special la tropice, este o cultură incredibil de importantă”, spune Jessica Lyons, cercetător principal al acestui proiect de editare a genomului de cassava la IGI.

Cassava este importantă, dar vine și cu o problemă încorporată care a inspirat echipa IGI să lucreze la ea: cianura. Rădăcinile de manioc produc în mod natural precursorul cianurii. În timp, consumul de cianură poate avea efecte care variază de la probleme cognitive subtile până la konzo, o boală severă caracterizată prin paralizia bruscă și ireversibilă a picioarelor.

Procesarea corespunzătoare poate elimina cianura din manioc, dar mulți oameni mănâncă manioc insuficient procesat. Aceasta este o problemă în special în părțile din Africa subsahariană care s-au confruntat cu secetă, foamete și instabilitate. Efectele toxicității sunt mai grave în locurile în care oamenii nu au acces ușor la proteine în dieta lor, care ajută la detoxifierea cianurii și îi atenuează efectele.

Peste impactul asupra sănătății, procesarea necesară pentru a elimina cianura din manioc este o povară care cade în principal pe umerii femeilor. Prelucrarea industrială este atât intensivă din punct de vedere energetic, cât și produce ape reziduale pline de cianură.

„Dacă reușim să prevenim producția de cianură de la bun început, ar putea face ca prelucrarea să fie mult mai rapidă și mai ușoară pentru familii și, în primul rând, pentru femeile care fac această muncă”, spune Lyons.

Editarea genomului la manioc

Pentru a face din maniocul fără cianură o realitate, Lyons, Gomez și echipa de cercetători de la IGI folosesc editarea genomului CRISPR pentru a bloca producția de cianură.

„Am aplicat pentru prima dată CRISPR pentru a crea rezistență la o boală problematică din Africa Centrală și de Est, numită „boala striurilor brune ale maniocului”, în colaborare cu Danforth Plant Science Center din St. Louis, Missouri”, spune Gomez. „Am folosit CRISPR pentru a ținti două gene specifice și am arătat o reducere a severității și a incidenței simptomelor.”

„Când faci o încrucișare, este ca și cum ai arunca toate trăsăturile, atât cele bune, cât și cele rele, în aer și nu poți controla ceea ce obții… CRISPR este mult, mult mai rapidă decât reproducerea convențională și este precisă.”

Mutarea la cianură a fost următorul pas logic pentru echipa IGI și colaboratorii de la Danforth Center. Calea de biosinteză a cianurii în manioc era deja bine înțeleasă, ceea ce a oferit o foaie de parcurs pentru editarea genomului. În plus, alți cercetători au arătat că era posibil să se interfereze cu această cale folosind o tehnică cunoscută sub numele de interferență ARN (RNAi) și să se reducă în mod măsurabil nivelurile de cianură.

„Editarea genomului este mai curată decât RNAi. Oferă un knockdown complet și face o schimbare în genom care este atât stabilă, cât și ereditară”, spune Lyons.

Tehnicile convenționale de reproducere ar putea, în teorie, să elimine cianura – deși acest lucru nu s-a întâmplat încă în peste 7000 de ani de domesticire. O provocare pentru ameliorarea trăsăturilor nedorite din manioc este faptul că acesta este cultivat de obicei din butași de tulpină, producând clone ale plantei mamă. Abordarea convențională presupune încrucișarea plantelor cu caracteristici dezirabile și cultivarea descendenților din semințe.

„Reproducerea maniocului durează mult timp, iar plantele nu înfloresc întotdeauna în același timp. Când faci o încrucișare, este ca și cum ai arunca în aer toate trăsăturile, atât cele bune, cât și cele rele, și nu poți controla ceea ce obții la urmași. CRISPR este mult, mult mai rapidă decât reproducerea convențională și este precisă”, spune Lyons.

Ce urmează pentru manioc

Când echipa IGI discută despre munca lor cu maniocul, li se pune adesea o întrebare cheie: Are cianura din manioc vreun scop?

„Poate juca un rol în antiherbivore, descurajând unele insecte și animale. Cu toate acestea, mulți dăunători au evoluat pentru a tolera această toxină, unii fiind chiar atrași de ea. Cât de importantă este pentru rezistența la dăunători? Prin blocarea căii, avem acum o modalitate de a studia științific rolul pe care îl joacă cianura”, spune Gomez.

Va mai trece ceva timp până când un soi de manioc fără cianură va fi disponibil pentru fermieri. În primul rând, vor fi necesare studii de teren cu organizații partenere din Africa, iar cercetarea nu se oprește la un singur soi.

„Fermierii din diferite părți ale lumii pot alege să cultive un soi în detrimentul altuia datorită gustului, maturității timpurii, randamentelor ridicate și multe altele. Am dori să păstrăm această diversitate”, spune Lyons. „Ceea ce este atât de frumos la editarea genomului este că putem dezvolta metoda și apoi să o aplicăm la alte soiuri. Creăm platforma, iar apoi ne putem extinde la alte soiuri pe care fermierii le preferă.”

Mulțumim CropLife International și Asociației Americane a Comerțului cu Semințe pentru profilarea acestei cercetări în videoclipul de mai sus.

.