利用CRISPR微调叶片角度可提高甘蔗产量

甘蔗是世界上产量最大的作物，占全球糖产量的80%，占生物燃料产量的 40%。甘蔗植株的规模和对水和光的高效利用使其成为生产先进的可再生、增值生物产品和生物燃料的首选。

然而，作为Saccharum officinarum和Saccharum spontaneum的杂交品种，甘蔗拥有所有作物中最复杂的基因组。这种复杂性意味着通过常规育种改良甘蔗具有挑战性。因此，研究人员转向基因编辑工具，例如 CRISPR/Cas9 系统，以精确靶向甘蔗基因组进行改良。

在他们发表在《植物生物技术杂志》上的新论文中，佛罗里达大学先进生物能源和生物产品创新中心 (CABBI) 的研究人员利用这种遗传复杂性，利用 CRISPR/Cas9 系统微调甘蔗的叶片角度。这些基因调整使甘蔗能够吸收更多的阳光，从而增加了生物量的产量。

这项工作支持了美国能源部资助的 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冗余度：它拥有每个基因的多个副本。因此，甘蔗植株表现出的表现型通常取决于某个基因的多个副本的累积表达。CRISPR/Cas9 系统非常适合这项任务，因为它可以设计为一次编辑基因的几个或多个副本。

这项研究的重点是LIGULELESS1(又称LG1 )基因，该基因在决定甘蔗的叶片角度方面起着重要作用。叶片角度又决定了植物能够捕获多少光，这对于生物量生产至关重要。由于甘蔗高度冗余的基因组包含 40 个LG1拷贝，研究人员能够通过编辑不同数量的该基因拷贝来微调叶片角度，从而根据编辑的LG1拷贝数产生略有不同的叶片角度。

“在一些LG1基因编辑的甘蔗中，我们只是对一些副本进行了变异，”研究团队负责人、佛罗里达大学农学教授 Fredy Altpeter 说道。“通过这种方式，我们能够调整叶片结构，直到找到最佳角度，从而提高生物质产量。”

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允许更多的光线穿透树冠，从而增加生物量产量。特别是一个甘蔗品系，其中约 12% 的 LG1拷贝进行了编辑，叶片倾斜角度减少了 56%，干生物量产量增加了 18%。

通过优化甘蔗以捕获更多光线，这些基因编辑可以提高生物量产量，而无需在田地中添加更多肥料。除此之外，加深对复杂遗传学和基因组编辑的了解有助于研究人员努力开发改良作物的精细方法。

“这是第一份描述 CRISPR 编辑甘蔗田间试验的同行评议出版物，”Altpeter 说。“这项研究还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。”

该研究的共同作者包括佛罗里达大学农学系的 CABBI 研究人员 Eleanor Brant、Ayman Eid、Baskaran Kannan 和 Mehmet Cengiz Baloglu。