Ученые создали желтосеменный рыжик с высоким выходом масла

Важные новости

Ученые инженер желтый- семенной рыжик с высоким выходом масла

Художественное представление эффекта редактирования всех шести копий гена ТТ8 у рыжика посевного. Семена с инактивированными генами ТТ8 (справа) имеют желтую окраску, уменьшенную толщину семенной оболочки и накапливают почти на 22% больше масла, чем семена дикого типа (слева). Фото: Валери Ленц/Брукхейвенская национальная лаборатория

Усилия по достижению нулевых выбросов углерода от транспортного топлива увеличивают спрос на масло, производимое из непродовольственных культур. Эти растения используют солнечный свет для преобразования углекислого газа из атмосферы в масло, которое накапливается в семенах. Селекционеры, заинтересованные в выборе растений, производящих много масла, обращают внимание на желтые семена. В масличных культурах, таких как рапс, сорта с желтыми семенами обычно производят больше масла, чем их аналоги с коричневыми семенами. Причина: белок, отвечающий за коричневый цвет семян, которого нет у желтосемянных растений, также играет ключевую роль в производстве масла.

Теперь биохимики растений из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), заинтересованные в увеличении синтеза растительного масла для устойчивого производства биотоплива и других биопродуктов, использовали эти знания для создания нового высокоурожайного сорта масличных культур. В статье, только что опубликованной в The Plant Biotechnology Journal, они описывают, как они использовали инструменты современной генетики для получения желтосемянного сорта Camelina sativa, близкого родственника канолы, который накапливает на 21,4% больше масла. чем обыкновенный рыжик.

«Если селекционеры могут добиться увеличения производства масла на несколько процентов, они считают это значительным, потому что даже небольшое увеличение урожайности может привести к значительному увеличению производства масла, когда вы засеиваете миллионы акров», — сказал биохимик Брукхейвенской лаборатории Джон Шанклин. заведующий отделом биологии лаборатории и руководитель программы исследования растительного масла. «Наше почти 22-процентное увеличение было неожиданным и потенциально могло привести к резкому увеличению производства», — сказал он.

Простая идея, необычный завод

Идея создания этого высокоурожайного сорта рыжика была проста: имитировать то, что происходит в встречающихся в природе высокоурожайных сортах канолы с желтыми семенами.

«Селекционеры выявили растения с большим количеством масла, некоторые из которых у которых оказались желтые семена, и они не особо беспокоились о механизме», — сказал Шанклин. Но как только ученые обнаружили ген, отвечающий как за желтый цвет семян, так и за повышенное содержание масла, у них появился способ потенциально увеличить выход масла у других видов.

Ген содержит инструкции по созданию белка, известного как Transparent Testa 8 (TT8), который, помимо прочего, контролирует выработку соединений, придающих семенам коричневый цвет. Важно отметить, что TT8 также ингибирует некоторые гены, участвующие в синтезе масла.

Сяо-Хун Юй, возглавлявший этот проект, предположил, что избавление от TT8 у рыжика должно снять ингибирование синтеза масла и освободить его. некоторое количество углерода, которое можно направить на добычу нефти.

Ученые создают желтосемянный рыжик с высоким содержанием масла вывод

Исследовательская группа Брукхейвенской лаборатории (слева направо): Цзинь Чай, Джоди Цуй, Шреяс Пракаш, Сяо-Хонг Ю, Джон Шанклин, Йорг Швендер, Хай Ши и Санкет Анаокар. Все они являются членами биологического отдела Брукхейвенской лаборатории; Пракаш и Кюи — студенты Корнеллского университета и Университета Стоуни-Брук соответственно, участвующие в программе стажировок в лаборатории Министерства энергетики США. Фото: Джессика Роткевич/Брукхейвенская национальная лаборатория

Избавиться от одного гена у рыжика очень сложно, поскольку это растение необычно для живых существ. Вместо двух наборов хромосом – то есть двух копий каждого гена – у него шесть наборов.

«Этот «гексаплоидный» геном объясняет, почему в природе не существует желтосеменных разновидностей рыжика», — объяснил Ю. «Маловероятно, что мутации возникнут одновременно во всех шести копиях TT8 и полностью нарушат его функцию».

Редактирование генов приносит пользу

Благодаря инструментам современной генетики команде из Брукхейвена удалось вывести из строя все шесть копий TT8. Они использовали технологию редактирования генов, известную как CRISPR/Cas9, для нацеливания на определенные последовательности ДНК в генах TT8. Они использовали эту технологию, чтобы расщепить ДНК в этих местах, а затем создать мутации, которые деактивировали гены. Затем Ю и его команда провели серию биохимических и генетических анализов, чтобы отслеживать эффекты целевого редактирования генов.

«Фенотип желтого семени, который мы искали, был отличным визуальным ориентиром для наших поисков», — Ю. сказал. «Это помогло нам найти семена, которые мы искали, проверив менее 100 растений, среди которых мы выявили три независимо возникающие линии, в которых все шесть генов были нарушены».

Результаты: цвет семенной кожуры изменился с коричневого на желтый только у растений, у которых были повреждены все шесть копий гена ТТ8. Желтые семена имели более низкие уровни «флавоноидных» соединений и «слизи» — оба обычно производятся биохимическими путями, контролируемыми TT8 — чем коричневые семена штаммов рыжика с неотредактированными геномами.

Кроме того, многие гены, участвующие в синтезе масла и производстве жирных кислот, строительных блоков масла, экспрессировались на повышенных уровнях в семенах растений, отредактированных CRISPR/Cas9. Это привело к резкому увеличению накопления нефти. Измененные семена содержали еще один положительный сюрприз: уровни белков и крахмала не изменились.

Целевые мутации TT8 были унаследованы в последующих поколениях растений рыжика, что позволяет предположить, что улучшения будут стабильными и долговременными. долговечны.

«Наши результаты демонстрируют потенциал для создания новых линий рыжика путем редактирования генов, в данном случае путем манипулирования TT8 для усиления биосинтеза масла. Понимание дальнейших деталей того, как TT8 и другие факторы контролируют биохимические пути, может обеспечить дополнительные гены-мишени для увеличения урожайности масла», — сказал Шанклин.

Дополнительная информация: Yuanheng Cai et al., Создание желтых семян Camelina sativa с повышенным накоплением масла с помощью CRISPR-опосредованное разрушение Transparent Testa 8, Журнал биотехнологии растений (2024). DOI: 10.1111/pbi.14403

Информация журнала: Журнал биотехнологии растений

Предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией

Новости сегодня

Последние новости