Using CRISPR Genome Editing to Make Cyanide-Free Cassava

IGI:n tutkijat käyttävät CRISPR:ää muuttaakseen perusviljelykasvin maniokkia niin, että siitä tulee turvallisempaa ja helpompaa syödä.

Michael Gomez varttui syömällä maniokkia kolumbialaisperheensä kanssa. Nyt hän muokkaa sen geenejä.

”Tunsin sen nimellä ’yuca’, kun kasvoin. Se oli suuri osa ruokavaliotamme. Kun sain mahdollisuuden työskennellä viljelykasvin parissa, jota söin säännöllisesti perheeni kanssa, ajattelin, että se oli mahtava tilaisuus”, sanoo Gomez, joka työskentelee post doc -tutkijana IGI:n Staskawiczin laboratoriossa.

Cassavasta käytetään monia nimiä: yuca, maniokki, muhogo, tapioka. Maniokin mukulajuurista saatavasta tärkkelyksestä valmistetaan pureskeltavia helmiä boba-teessä ja tapioka-vanukkaan möhkäleitä, ja sitä on monissa gluteenittomissa tuotteissa. Maailmanlaajuisesti se on yksi tärkeimmistä juureksista.

”Noin miljardi ihmistä ympäri maailmaa on riippuvaisia maniokista kalorien lähteenä, mukaan lukien noin 40 prosenttia afrikkalaisista. Maniokki ei ole varsinainen peruselintarvike Yhdysvalloissa, mutta monissa osissa maailmaa, erityisesti tropiikissa, se on uskomattoman tärkeä viljelykasvi”, sanoo Jessica Lyons, joka on tämän maniokin genomin muokkaushankkeen päätutkija IGI:ssä.

Maniokki on tärkeä, mutta siihen liittyy myös sisäänrakennettu ongelma, joka innoitti IGI:n tiimin työskentelemään sen parissa: syanidi. Maniokin juuret tuottavat luonnostaan syanidin esiastetta. Ajan mittaan syanidin nauttimisella voi olla vaikutuksia, jotka vaihtelevat hienovaraisista kognitiivisista ongelmista konzoon, vakavaan sairauteen, jolle on ominaista jalkojen äkillinen ja peruuttamaton halvaantuminen.

Kunnollisella prosessoinnilla voidaan poistaa syanidi maniokista, mutta monet ihmiset syövät puutteellisesti prosessoitua maniokkia. Tämä on ongelma erityisesti Saharan eteläpuolisen Afrikan osissa, joissa on koettu kuivuutta, nälänhätää ja epävakautta. Myrkyllisyyden vaikutukset ovat pahempia paikoissa, joissa ihmiset eivät saa helposti proteiinia ruokavaliostaan, joka auttaa myrkyttämään syanidia ja lieventää sen vaikutuksia.

Terveysvaikutusten lisäksi syanidin poistamiseksi maniokista tarvittava prosessointi on taakka, joka lankeaa pääasiassa naisille. Teollinen prosessointi on sekä energiaintensiivistä että tuottaa syanidipitoisia jätevesiä.

”Jos pystymme estämään syanidin tuotannon jo aluksi, se voisi nopeuttaa ja helpottaa prosessointia paljon perheiden ja ennen kaikkea työtä tekevien naisten kannalta”, Lyons sanoo.

Genomin muokkaus maniokissa

Tehdäkseen syanidittomasta maniosta todellisuutta Lyons, Gomez ja IGI:n tutkijaryhmä käyttävät CRISPR-genomin muokkausta syanidin tuotannon estämiseksi.

”Sovelsimme CRISPR:ää ensin kehittääksemme resistenssiä Itä- ja Keski-Afrikassa esiintyvälle ongelmalliselle taudille, jota kutsutaan maniokin ruskeaksi raitataudiksi (cassava brown streak disease), yhteistyössä Missourin St. Louisissa sijaitsevan Danforth Plant Science Centerin kanssa”, Gomez sanoo. ”Käytimme CRISPR:ää kahteen erityiseen geeniin, ja osoitimme, että oireiden vakavuus ja esiintyvyys vähenivät.”

”Kun tehdään risteytys, se on kuin heittäisi kaikki ominaisuudet, sekä hyvät että huonot, ilmaan, etkä voi kontrolloida sitä, mitä saat… CRISPR on paljon, paljon nopeampi kuin perinteinen jalostus, ja se on täsmällinen”.”

Syanidiin siirtyminen oli looginen seuraava askel IGI:n tiimille ja Danforth Centerin yhteistyökumppaneille. Syanidin biosynteesireitti maniokissa tunnettiin jo hyvin, mikä tarjosi tiekartan genomin muokkausta varten. Lisäksi muut tutkijat osoittivat, että tähän polkuun oli mahdollista puuttua RNA-interferenssiksi (RNAi) kutsutulla tekniikalla ja vähentää syanidipitoisuuksia mitattavasti.

”Genomieditointi on puhtaampaa kuin RNAi. Se tarjoaa täydellisen tyrmäyksen ja tekee genomiin muutoksen, joka on sekä vakaa että periytyvä”, Lyons sanoo.

Tavanomaisilla jalostustekniikoilla syanidia voitaisiin teoriassa poistaa – tosin sitä ei ole vielä tapahtunut yli 7000 vuotta kestäneen kotieläinjalostuksen aikana. Yksi haaste ei-toivottujen ominaisuuksien jalostamisessa maniokista on se, että sitä kasvatetaan yleensä pistokkaista, jolloin syntyy kantakasvin klooneja. Perinteisessä lähestymistavassa risteytetään kasveja, joilla on toivottuja ominaisuuksia, ja kasvatetaan jälkeläisiä siemenistä.

”Maniokin jalostus vie kauan aikaa, eivätkä kasvit aina kuki samaan aikaan. Kun teet risteytyksen, se on kuin heittäisi kaikki ominaisuudet, sekä hyvät että huonot, ilmaan, etkä voi kontrolloida sitä, mitä jälkeläisistä tulee. CRISPR on paljon, paljon nopeampi kuin perinteinen jalostus, ja se on tarkkaa”, Lyons sanoo.

Mitä seuraavaksi maniokille

Kun IGI:n tiimi keskustelee maniokkityöstään, heiltä kysytään usein yksi keskeinen kysymys:

”Sillä voi olla merkitystä kasvinsyöjien torjunnassa, sillä se karkottaa joitakin hyönteisiä ja eläimiä. Monet tuholaiset ovat kuitenkin kehittyneet sietämään tätä toksiinia, ja jotkut jopa houkuttelevat sitä. Kuinka tärkeää se on tuholaisten vastustuskyvyn kannalta? Poistamalla reitin, meillä on nyt keino tutkia tieteellisesti syanidin roolia”, Gomez sanoo.

Menee vielä jonkin aikaa, ennen kuin viljelijöiden saatavilla on syanidivapaa maniokkilajike. Ensin tarvitaan kenttätutkimuksia kumppaniorganisaatioiden kanssa Afrikassa, eikä tutkimus pysähdy vain yhteen lajikkeeseen.

”Maanviljelijät eri puolilla maailmaa saattavat valita yhden lajikkeen toisen sijasta muun muassa maun, varhaisen kypsymisen ja korkean sadon vuoksi. Haluaisimme säilyttää tämän monimuotoisuuden”, Lyons sanoo. ”Genomin muokkauksessa on hienoa se, että voimme kehittää menetelmän ja soveltaa sitä sitten muihin lajikkeisiin. Luomme alustan, ja sitten voimme laajentaa sitä muihin viljelijöiden suosimiin lajikkeisiin.”

Kiitos CropLife Internationalille ja American Seed Trade Associationille tämän tutkimuksen profiloinnista yllä olevalla videolla.