Screenshot YouTube
Volgens de onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv die verantwoordelijk zijn voor de doorbraak: "De nieuwe ontwikkeling maakt gecontroleerde en gerichte gewasverbetering op genoomschaal mogelijk. We hebben onze methode al met groot succes toegepast op rijst- en tomatenplanten en we zijn van plan om deze toe te passen op andere ook gewassen."
Voor het eerst ter wereld zijn onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv erin geslaagd een technologie op genoomschaal te ontwikkelen die het mogelijk maakt om de rol van genen en eigenschappen in planten te onthullen die tot nu toe verborgen waren door functionele redundantie. De onderzoekers wijzen erop dat de mens sinds de landbouwrevolutie is gebruikt om plantenvariëteiten voor landbouwdoeleinden te verbeteren door genetische diversiteit te creëren. Maar tot deze recente ontwikkeling was het alleen mogelijk om de functies van enkele genen te onderzoeken, die slechts 20% van het genoom uitmaken. Voor de resterende 80% van het genoom, bestaande uit genen die in families zijn gegroepeerd, was er op grote schaal van het hele genoom geen effectieve manier om hun rol in de plant te bepalen.
Als resultaat van deze unieke ontwikkeling slaagde het team van onderzoekers erin om tientallen nieuwe kenmerken te isoleren en te identificeren die tot nu toe over het hoofd waren gezien. De ontwikkeling zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen in de manier waarop landbouwgewassen worden verbeterd, aangezien het kan worden toegepast op de meeste gewassen en landbouwkenmerken, zoals verhoogde opbrengst en weerstand tegen droogte of ongedierte.
Het onderzoek werd uitgevoerd door postdoctoraal student dr. Yangjie Hu onder leiding van prof. Eilon Shani en prof. Itay Mayrose van de School of Plant Sciences and Food Security aan de Wise Faculty of Life Sciences van de Universiteit van Tel Aviv. Wetenschappers uit Frankrijk, Denemarken en Zwitserland namen ook deel aan het onderzoek. Het onderzoek is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Plants.
Als onderdeel van het onderzoek heeft het team van onderzoekers de innovatieve technologie 'CRISPR' voor gene editing en methoden uit de bio-informatica en moleculaire genetica gebruikt om een nieuwe methode te ontwikkelen voor het lokaliseren van genen die verantwoordelijk zijn voor specifieke eigenschappen in planten.
Volgens prof. Shani: "Sinds de landbouwrevolutie heeft de mens duizenden jaren lang verschillende plantenvariëteiten voor de landbouw verbeterd door genetische variatie te bevorderen. Maar tot een paar jaar geleden was het niet mogelijk om gericht genetisch in te grijpen, maar alleen om wenselijke eigenschappen te identificeren en te promoten die willekeurig zijn gecreëerd. De ontwikkeling van technologieën voor het bewerken van genen maakt het nu mogelijk om precieze veranderingen aan te brengen in een groot aantal planten. "
De onderzoekers leggen uit dat ondanks de ontwikkeling van technologieën voor genetische bewerking, zoals CRISPR, er verschillende uitdagingen bleven die de toepassing ervan op de landbouw beperkten. Een daarvan was de noodzaak om zo precies mogelijk te identificeren welke genen in het genoom van de plant verantwoordelijk zijn voor een specifieke gewenste eigenschap om te cultiveren. De geaccepteerde methode om deze uitdaging aan te gaan, is door mutaties te produceren, dat wil zeggen genen op verschillende manieren te modificeren, en vervolgens veranderingen in de eigenschappen van de plant als gevolg van de mutatie in het DNA te onderzoeken en hiervan te leren over de functie van de gen.
Dus als er bijvoorbeeld een plant met zoetere vruchten ontstaat, kan worden geconcludeerd dat het gewijzigde gen de zoetheid van de vrucht bepaalt. Deze strategie wordt al tientallen jaren gebruikt en is zeer succesvol, maar heeft ook een fundamenteel probleem: een gemiddelde plant zoals tomaat of rijst heeft ongeveer 30.000 genen, maar ongeveer 80% daarvan werkt niet alleen, maar is gegroepeerd in families van vergelijkbare genen. Daarom, als een enkel gen uit een bepaalde gen-familie is gemuteerd, is de kans groot dat een ander gen uit dezelfde familie (eigenlijk een kopie die sterk lijkt op het gemuteerde gen) de fenotypes zal maskeren in plaats van het gemuteerde gen. Vanwege dit fenomeen, genetische redundantie genaamd, is het moeilijk om een verandering in de plant zelf teweeg te brengen en om de functie van het gen en de link met een specifieke eigenschap te bepalen.
De huidige studie probeerde een oplossing te vinden voor het probleem van genetische redundantie door gebruik te maken van een innovatieve methode voor het bewerken van genen, genaamd 'CRISPR'. Prof. Mayrose legt uit: "De CRISPR-methode is gebaseerd op een enzym genaamd Cas9 dat van nature voorkomt in bacteriën, wiens rol het is om vreemde DNA-sequenties te knippen. Het enzym kan een sgRNA-sequentie associëren, die de DNA-sequentie identificeert die het enzym moet knippen "Deze genetische bewerkingsmethode stelt ons in staat om verschillende sgRNA-sequenties te ontwerpen, zodat Cas9 bijna elk gen kan knippen dat we willen veranderen. We wilden deze techniek toepassen om de controle van het creëren van mutaties in planten te verbeteren met het oog op landbouwverbetering, en specifiek om de algemene beperking van genetische redundantie te overwinnen."
In de eerste fase werd een bio-informatica-onderzoek uitgevoerd op een computer, dat, in tegenstelling tot de meeste studies in het veld, aanvankelijk het hele genoom besloeg. De onderzoekers kozen ervoor om zich te concentreren op de Arabidopsis-plant, die in veel studies als model wordt gebruikt en ongeveer 30.000 genen heeft. Eerst identificeerden en isoleerden ze ongeveer 8.000 individuele genen, die geen familieleden hebben en dus geen kopieën in het genoom. De resterende 22.000 genen werden verdeeld in families en voor elke familie werden geschikte sgRNA-sequenties berekend. Elke sgRNA-sequentie is ontworpen om het Cas9-knip-enzym naar een specifieke genetische sequentie te leiden die de hele familie kenmerkt, met als doel mutaties in alle gezinsleden te creëren zodat deze genen elkaar niet langer kunnen overlappen. Op deze manier werd een bibliotheek opgebouwd met in totaal ongeveer 59.000 sgRNA-sequenties, waarbij elk sgRNA op zichzelf in staat is om tegelijkertijd 2-10 genen tegelijk uit elke genfamilie te modificeren, waardoor het fenomeen van genetische redundantie effectief wordt geneutraliseerd.
Bovendien werden de sgRNA-sequenties verdeeld in tien subbibliotheken van elk ongeveer 6.000 sgRNA-sequenties, volgens de veronderstelde rol van de genen - zoals codering voor enzymen, receptoren, transcriptiefactoren, enz. Volgens de onderzoekers stelde het opzetten van de bibliotheken hen in staat om de zoektocht naar genen die verantwoordelijk zijn voor gewenste eigenschappen te focussen en te optimaliseren, een zoektocht die tot nu toe grotendeels willekeurig was.
In de volgende stap verhuisden de onderzoekers van de computer naar het laboratorium. Hier genereerden ze alle 59.000 sgRNA-sequenties ontworpen door de computationele methode en ontwikkelden ze in nieuwe plasmidebibliotheken (d.w.z. circulaire DNA-segmenten) in combinatie met het snij-enzym. De onderzoekers genereerden vervolgens duizenden nieuwe planten die de bibliotheken bevatten - waarbij elke plant werd geïmplanteerd met een enkele sgRNA-sequentie gericht tegen een specifieke genfamilie.
De onderzoekers observeerden de eigenschappen die zich manifesteerden in de planten na de genoommodificaties, en wanneer een interessant fenotype werd waargenomen in een bepaalde plant. het was gemakkelijk om te weten welke genen verantwoordelijk waren voor de verandering op basis van de sgRNA-sequentie die erin was ingevoegd. Door DNA-sequencing van de geïdentificeerde genen was het ook mogelijk om de aard van de mutatie die de verandering veroorzaakte en zijn bijdrage aan de nieuwe eigenschappen van de plant te bepalen. Op deze manier werden veel nieuwe eigenschappen in kaart gebracht die tot nu toe werden geblokkeerd vanwege genetische redundantie. Concreet identificeerden de onderzoekers specifieke eiwitten die een mechanisme omvatten dat verband houdt met het transport van het hormoon cytokinine, dat essentieel is voor een optimale ontwikkeling van planten.
Prof. Shani concludeert: "De nieuwe methode die we hebben ontwikkeld, zal naar verwachting een grote hulp zijn bij fundamenteel onderzoek naar het begrijpen van processen in planten, maar daarnaast heeft het een enorme betekenis voor de landbouw: het maakt het mogelijk om efficiënt en nauwkeurig de pool van genen die verantwoordelijk zijn voor eigenschappen die we willen verbeteren, zoals weerstand tegen droogte, plagen en ziekten, of het verhogen van opbrengsten. Wij geloven dat dit de toekomst van de landbouw is: gecontroleerde en gerichte gewasverbetering op grote schaal. Vandaag passen we de methode toe we hebben ons met groot succes ontwikkeld tot rijst- en tomatenplanten en we zijn van plan het ook op andere gewassen toe te passen."
Daartoe heeft het technologiecommercialisatiebedrijf (Ramot) van de Universiteit van Tel Aviv, in samenwerking met de AgChimedes-groep, het bedrijf DisTree opgericht. Deze financiële investering, gecombineerd met de zakelijke en professionele ondersteuning van Agchimedes, stelt DisTree in staat om de nieuwe technologie toe te passen op een verscheidenheid aan gewassen, met als doel een revolutie teweeg te brengen in de genetica van de landbouwwereld en voedingszekerheid mogelijk te maken in het tijdperk van de klimaatcrisis. .
