佛罗里达大学的研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术改造了甘蔗的叶片角度，显著提高了甘蔗的阳光捕获量和生物质产量。在编辑甘蔗复杂的多倍体基因组方面取得的这一突破标志着作物改良和生物燃料生产领域的重大进展。研究人员利用 CRISPR 基因编辑技术优化了甘蔗的叶片角度，提高了甘蔗对阳光的吸收能力。
甘蔗是全球生物质产量最高的作物，占全球糖产量的 80% 和生物燃料产量的 40%。其巨大的体积和对水和光的最佳利用，使其成为生产创新型可再生生物产品和生物燃料的理想来源。
然而，甘蔗作为Saccharum officinarum和Saccharum spontaneum 的杂交种，其基因组是所有作物中最复杂的。这种复杂性意味着通过传统育种方法改良甘蔗具有挑战性。正因为如此，研究人员转而使用基因编辑工具，如 CRISPR/Cas9 系统，来精确地针对甘蔗基因组进行改良。
埃莉诺-布兰特（Eleanor Brant）收集叶片样本，用于基因编辑甘蔗的分子分析。图片来源：Charles Keato
佛罗里达大学先进生物能源和生物产品创新中心（CABBI）的一个研究小组在《植物生物技术期刊》上发表的新论文中，利用这种遗传复杂性的优势，使用 CRISPR/Cas9 系统对甘蔗的叶片角度进行了微调。这些基因调整使甘蔗能够捕捉到更多的阳光，从而增加了生物质的产量。
这项工作支持能源部资助的 CABBI 生物能源研究中心的"植物即工厂"方法及其原料生产研究的主要目标--直接在甘蔗等植物的茎中合成生物燃料、生物产品和高价值分子。
甘蔗基因组的复杂性部分归因于其高度冗余性：它的每个基因都有多个拷贝。因此，甘蔗植株表现出的表型通常取决于某个基因多个拷贝的累积表达。CRISPR/Cas9 系统非常适合完成这项任务，因为它可以一次性编辑一个基因的几个或多个拷贝。
Baskaran Kannan 在田间评估基因编辑甘蔗。图片来源：Uzair Khan
这项研究的重点是LIGULELESS1（即LG1），该基因在决定甘蔗叶片角度方面发挥着重要作用。叶片角度反过来又决定了植物能捕获多少光，而这对生物量的生产至关重要。由于甘蔗的高度冗余基因组包含 40 个LG1 基因拷贝，研究人员能够通过编辑不同数量的LG1基因拷贝对叶片角度进行微调，从而根据编辑LG1基因拷贝的数量产生略微不同的叶片角度。
"在一些经过LG1编辑的甘蔗中，我们只是突变了几个拷贝，"研究小组负责人、佛罗里达大学农学教授 Fredy Altpeter 说。"通过这样做，我们能够调整叶片结构，直到找到能提高生物量产量的最佳角度"。
实地试验结果及对未来的影响
当研究人员在田间试验中种植甘蔗时，他们发现直立的叶片表型可以让更多的光线穿透冠层，从而提高了生物量产量。其中一个甘蔗品系的LG1拷贝数约为12%，叶片倾斜角度减少了56%，干生物量产量却增加了18%。
通过优化甘蔗以捕捉更多光照，这些基因编辑可以提高生物量产量，而无需在田间添加更多肥料。除此之外，加深对复杂遗传学和基因组编辑的理解，有助于研究人员改进作物改良方法。
Altpeter说："这是第一篇描述CRISPR编辑甘蔗田间试验的同行评审出版物。这项工作也为编辑多倍体作物基因组提供了独特的机会，研究人员可以对特定性状进行微调。"
编译来源：ScitechDaily