Using CRISPR Genome Editing to Make Cyanide-Free Cassava

IGI-forskare använder CRISPR för att förändra den vanliga grödan kassava så att den blir säkrare och lättare att äta.

Michael Gomez växte upp och åt kassava med sin colombianska familj. Nu redigerar han dess gener.

”Jag kände till den som ”yuca” när jag växte upp. Det var en stor del av vår kost. När jag fick chansen att arbeta med en gröda som jag regelbundet åt tillsammans med min familj tyckte jag att det var en fantastisk möjlighet”, säger Gomez, som är postdoktor i Staskawicz Lab vid IGI.

Cassava har många namn: yuca, manioc, muhogo, tapioka. Stärkelse från kassavans rotknölar ger de tuggiga pärlorna i boba-te, klumparna i tapiokapudding och finns i en mängd olika glutenfria produkter. I hela världen är det en av de viktigaste rotfrukterna.

”Ungefär en miljard människor runt om i världen förlitar sig på kassava som en kalorikälla, däribland cirka 40 procent av afrikanerna. Cassava är inte riktigt en stapelvara i USA, men i många delar av världen, särskilt i tropikerna, är det en otroligt viktig gröda”, säger Jessica Lyons, huvudansvarig för det här cassava-genomredigeringsprojektet vid IGI.

Cassava är viktig, men den har också ett inbyggt problem som inspirerade IGI-teamet till att arbeta med den: cyanid. Cassavarötter producerar naturligt en prekursor av cyanid. Med tiden kan konsumtion av cyanid få effekter som sträcker sig från subtila kognitiva problem till konzo, en allvarlig sjukdom som kännetecknas av plötslig och oåterkallelig förlamning av benen.

En korrekt bearbetning kan avlägsna cyanid från kassava, men många människor äter otillräckligt bearbetad kassava. Detta är ett problem särskilt i delar av Afrika söder om Sahara som har drabbats av torka, svält och instabilitet. Effekterna av giftigheten är värre på platser där människor inte har enkel tillgång till protein i sin kost, vilket hjälper till att avgifta cyanid och mildrar dess effekter.

Bortsett från hälsoeffekterna är den bearbetning som krävs för att avlägsna cyanid från kassava en börda som främst faller på kvinnor. Industriell bearbetning är både energikrävande och ger upphov till cyanidhaltigt avloppsvatten.

”Om vi kan förhindra cyanidproduktion från början skulle det kunna göra bearbetningen så mycket snabbare och enklare för familjerna och i första hand för de kvinnor som utför arbetet”, säger Lyons.

Genomredigering av kassava

För att göra cyanidfri kassava till verklighet använder Lyons, Gomez och forskargruppen vid IGI CRISPR-genomredigering för att blockera produktionen av cyanid.

”Vi tillämpade först CRISPR för att skapa resistens mot en problematisk sjukdom i Öst- och Centralafrika som kallas cassava brown streak disease, i samarbete med Danforth Plant Science Center i St Louis, Missouri”, säger Gomez. ”Vi använde CRISPR för att rikta in oss på två specifika gener och visade att symptomen minskade i svårighetsgrad och förekomst.”

”När man gör en korsning är det som att kasta alla egenskaper, både bra och dåliga, upp i luften och man kan inte kontrollera vad man får… CRISPR är mycket, mycket snabbare än konventionell förädling, och det är exakt.”

Att gå över till cyanid var ett logiskt nästa steg för IGI-teamet och medarbetare vid Danforth Center. Biosyntesvägen för cyanid i kassava var redan välkänd, vilket gav en färdplan för genomredigering. Dessutom visade andra forskare att det var möjligt att störa denna väg med hjälp av en teknik som kallas RNA-interferens (RNAi) och mätbart minska cyanidnivåerna.

”Genomredigering är renare än RNAi. Den ger en fullständig knockdown och gör en förändring i genomet som är både stabil och ärftlig”, säger Lyons.

Konventionella förädlingstekniker skulle i teorin kunna avlägsna cyanid – även om det ännu inte har hänt under de mer än 7000 år av domesticering. En utmaning när det gäller att förädla bort oönskade egenskaper från kassava är att den vanligtvis odlas från sticklingar, vilket ger kloner av moderplantan. Det konventionella tillvägagångssättet innebär att man korsar växter med önskvärda egenskaper och odlar avkomman från frö.

”Cassavaförädling tar lång tid, och växterna blommar inte alltid samtidigt. När man gör en korsning är det som att kasta alla egenskaper, både bra och dåliga, upp i luften och man kan inte kontrollera vad man får i avkomman. CRISPR är mycket, mycket snabbare än konventionell förädling och det är exakt”, säger Lyons.

Vad händer härnäst med kassava

När IGI-teamet diskuterar sitt arbete med kassava får de ofta en nyckelfråga: Har cyaniden i kassava ett syfte?

”Den kan spela en roll för att motverka växtätande och avskräcka vissa insekter och djur. Många skadedjur har dock utvecklats för att tolerera detta gift och vissa attraheras till och med av det. Hur viktigt är det för resistens mot skadedjur? Genom att slå ut vägen har vi nu ett sätt att vetenskapligt studera den roll som cyanid spelar”, säger Gomez.

Det kommer fortfarande att dröja innan en cyanidfri kassavasort är tillgänglig för jordbrukare. Först behövs fältstudier med partnerorganisationer i Afrika, och forskningen stannar inte vid en enda sort.

”Jordbrukare i olika delar av världen kan välja att odla en sort framför en annan på grund av smak, tidig mognad, hög avkastning med mera. Vi vill bevara den mångfalden”, säger Lyons. ”Det som är så vackert med genomredigering är att vi kan utveckla metoden och sedan tillämpa den på andra sorter. Vi skapar plattformen, och sedan kan vi expandera till andra sorter som jordbrukarna föredrar.”

Tack till CropLife International och American Seed Trade Association för att ha profilerat den här forskningen i videon ovan.