Première sélection de précision de canne à sucre à l’aide de CRISPR-Cas9

La canne à sucre est l’une des plantes les plus productives de la planète, fournissant 80 pour cent du sucre et 30 pour cent du bioéthanol produits dans le monde. Sa taille et son utilisation efficace de l’eau et de la lumière lui confèrent un énorme potentiel de production de bioproduits et de biocarburants renouvelables à valeur ajoutée.

Mais très compliqué La canne à sucre Le génome pose des défis à la sélection conventionnelle, nécessitant plus d’une décennie d’expérimentation pour développer un cultivar amélioré.

Deux innovations récemment publiées par des chercheurs de l’Université de Floride au Center for Advanced Bioenergy and Bioproduct Innovation (CABBI) du Department of Energy démontrent la première microsélection réussie de canne à sucre utilisant la technologie CRISPR/Cas9. Édition du génome—Un moyen plus ciblé et efficace de développer de nouvelles variétés.

La technologie CRISPR/Cas9 permet aux scientifiques d’apporter des modifications subtiles à presque tous les gènes et, selon la méthode choisie, de désactiver le gène ou de le remplacer par une version supérieure. Ce dernier est techniquement plus difficile et a été rarement signalé pour les cultures à ce jour.

Dans le premier rapport, les chercheurs ont démontré la capacité de désactiver un nombre modifié de copies du gène de la chélatase de magnésium, une enzyme clé pour la biosynthèse de la chlorophylle dans la canne à sucre, ce qui donne des plantes rapidement reconnaissables avec des feuilles vert clair à jaunes. Les plantes vert clair n’ont pas montré de réduction de croissance et pourraient nécessiter moins d’engrais azoté pour produire la même quantité de biomasse. Cette étude a été publiée dans Les frontières de l’édition du génome, dirigé par les chercheurs du CABBI Fredy Altpeter, professeur de génie agricole à l’Institut des sciences de l’alimentation et de l’agriculture (IFAS) de l’Université de Floride, et Ayman Eid, chercheur postdoctoral au laboratoire d’Altpeter.

La deuxième étude, également publiée dans Les frontières de l’édition du génome, a obtenu un ciblage génique efficace et reproductible dans la canne à sucre, démontrant le remplacement précis de plusieurs copies du gène cible par une copie supérieure, conférant une résistance aux herbicides. Les scientifiques ont co-créé un modèle de réparation avec un outil d’édition de gènes pour diriger le processus de réparation de l’ADN de la plante afin qu’un ou deux des milliers de blocs de construction du gène, appelés nucléotides, soient remplacés avec précision sur le site cible. Le résultat était que le produit du gène était encore pleinement fonctionnel et ne pouvait plus être inhibé par l’herbicide. Cette étude a été dirigée par Altpeter et l’ancien postdoctorant du CABBI Mehmet Tufan Oz.

Altpeter Lab, partie du projet de développement phare de CABBI Nouvelles variétés de canne à sucre riches en huile, a été un pionnier dans la recherche sur l’édition du génome de la canne à sucre en utilisant Système d’édition de gènes TALEN. Mais les deux publications récentes sont les premières à démontrer avec succès l’édition de gènes CRISPR dans la canne à sucre ainsi que le ciblage de gènes pour remplacer avec précision les nucléotides dans la canne à sucre à l’aide de n’importe quel outil d’édition du génome.

« Nous avons maintenant des outils très efficaces pour transformer la canne à sucre en une culture avec des rendements plus élevés ou une durabilité améliorée », a déclaré Altpeter. « C’est important parce que la canne à sucre est la culture idéale pour alimenter la bioéconomie émergente. »

La canne à sucre est un mélange de deux types de plantes mères, elle possède donc plusieurs ensembles de chromosomes plutôt que deux, comme pour les plantes humaines ou « diploïdes ». Cela crée une redondance génétique – avec de nombreux ensembles de gènes remplissant la même fonction – qui peut contribuer à la productivité de la plante : si un ensemble fonctionne mal, il y a une sauvegarde. Mais cela rend très difficile la modification du sucre de canne. Les agronomes doivent cibler tous les gènes et transcrits qui régissent un caractère particulier afin d’apporter des améliorations.

Avec la sélection conventionnelle, deux types de canne à sucre sont croisés pour re-mélanger l’information génétique présente dans chaque parent dans l’espoir de promouvoir un trait souhaitable tel que la résistance aux maladies. Le problème est que les gènes sont transmis des parents à la progéniture en touffes, et les traits souhaitables sont souvent associés à du matériel génétique nocif. Cela signifie que les scientifiques doivent souvent passer par plusieurs séries de croisements et examiner des milliers de plantes pour restaurer les antécédents d’élite ou les caractéristiques botaniques de base, ainsi que pour améliorer un seul trait qu’ils essaient de modifier. Ce processus prend plus de temps et coûte plus cher chez les plantes à génome complexe comme la canne à sucre.

Les technologies d’édition de gènes de précision telles que CRISPR-Cas9 offrent une voie plus ciblée vers l’amélioration des cultures car elles évitent le remaniement de l’information génétique et changent simplement les copies de gènes inférieurs en copies supérieures. Compte tenu de la complexité du génome de la canne à sucre, Alpeter et son équipe se sont d’abord concentrés sur les gènes qui contrôlent les traits observés – la couleur des feuilles et la résistance aux herbicides – afin de pouvoir déterminer si les modifications fonctionnaient.

En plus de fournir un phénotype facilement reconnaissable, la cible gènes Cela pourrait s’avérer utile dans de futures recherches. La modification de la teneur en chlorophylle de la canne à sucre a le potentiel d’augmenter la photosynthèse au niveau de la canopée ou de réduire le besoin d’engrais azotés, sur la base d’une modélisation végétale précédente. La canne à sucre est une plante haute et touffue, les feuilles supérieures reçoivent beaucoup de soleil et les feuilles inférieures sont ombragées. Si les feuilles supérieures contiennent moins de chlorophylle, les rayons du soleil peuvent pénétrer profondément dans la plante, augmentant sa biomasse avec la même quantité de lumière et moins d’engrais. La résistance aux herbicides n’est pas seulement une caractéristique agricole souhaitable pour faciliter la gestion des mauvaises herbes; Cela facilitera également les futurs efforts d’édition de gènes en permettant la suppression des cellules végétales non modifiées.

Chez CABBI, Altpeter et son équipe appliquent déjà les résultats pour développer des lignées de canne à sucre améliorées. La canne à sucre contient de nombreuses cibles génétiques différentes qui pourraient se traduire par plus de biomasse ou de production de lipides ou d’acides gras spécialisés – ce qui renforcerait les objectifs de CABBI pour la production de carburant et d’autres produits à partir de les plantes pour remplacer le pétrole. Étant donné que la récolte a déjà été récoltée et transformée pour extraire le sucre, l’infrastructure de base pour la transformation des matières premières en un produit du commerce est essentiellement en place.

« L’ajout de flux de valeur est relativement peu coûteux par rapport à d’autres cultures alternatives », a déclaré Alpeter.