Ερευνητές «πειράζοντας» ένα γονίδιο της φράουλας δημιούργησαν μια λευκή ποικιλία

Η τροποποίηση του κυρίαρχου αντιγράφου του γονιδίου MYB10-1B μετέτρεψε τις κόκκινες φράουλες σε λευκές και απέδειξε μια στοχευμένη στρατηγική για τη γενετική τροποποίηση πολυπλοειδών καλλιεργειών.

Οι πολυπλοειδείς καλλιέργειες (φυτά με πολυπλοειδία) είναι εκείνες που διαθέτουν περισσότερα από δύο πλήρη σετ χρωμοσωμάτων στα κύτταρά τους. Τα κύτταρα και τα τμήματα των φυτών (φύλλα, άνθη, καρποί) συχνά γίνονται μεγαλύτερα (φαινόμενο gigas). Παρουσιάζουν καλύτερη προσαρμογή και αντοχή σε περιβαλλοντικές πιέσεις όπως το κρύο ή η ξηρασία.

Το χαρακτηριστικό κόκκινο χρώμα της φράουλας εξαρτάται από ένα πολύπλοκο γενετικό σύστημα. Οι καλλιεργούμενες φράουλες διαθέτουν οκτώ σύνολα χρωμοσωμάτων επομένως πολλά γονίδια υπάρχουν σε αρκετά παρόμοια αντίγραφα. Αυτό καθιστά δύσκολη την αλλαγή ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού χωρίς να επηρεαστούν άλλα. Οι ερευνητές έδειξαν τώρα ότι η στόχευση ενός και μόνο κυρίαρχου αντιγράφου γονιδίου με τη μέθοδο γονιδιακής «κοπτοραπτικής» CRISPR/Cas9 μπορεί να μετατρέψει τις κόκκινες φράουλες σε λευκές αφήνοντας ανέπαφα τα συγγενικά αντίγραφα.

Το χρώμα της φράουλας οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στις ανθοκυανίνες, δηλαδή χρωστικές που παράγονται μέσω μιας αυστηρά ελεγχόμενης βιοχημικής οδού. Ένας από τους βασικούς ρυθμιστές της είναι ο μεταγραφικός παράγοντας MYB10 ο οποίος ενεργοποιεί αρκετά γονίδια που συμμετέχουν στην παραγωγή των χρωστικών.

Επειδή οι καλλιεργούμενες φράουλες είναι οκταπλοειδείς, δηλαδή διαθέτουν οκτώ σύνολα χρωμοσωμάτων, τα περισσότερα γονίδια αντιπροσωπεύονται από πολλαπλά ομόλογα αντίγραφα τα οποία δεν συμβάλλουν απαραίτητα στον ίδιο βαθμό στη γονιδιακή δραστηριότητα.

Αυτή η γενετική «πλεονασματικότητα» έχει κάνει πιο δύσκολη τόσο τη γενετική έρευνα όσο και τη βελτίωση των καλλιεργειών, επειδή η τροποποίηση ενός λιγότερο σημαντικού αντιγράφου μπορεί να μην προκαλεί καμία ορατή αλλαγή. Οι φυσικά λευκές φράουλες είχαν δείξει ότι συγκεκριμένες παραλλαγές του MYB10 μπορεί να καθορίζουν το χρώμα του καρπού. Ωστόσο η επιβεβαίωση του ρόλου κάθε επιμέρους αντιγράφου στις εμπορικά σημαντικές ποικιλίες παρέμενε δύσκολη.

Ένα μόνο αντίγραφο γονιδίου ελέγχει το χρώμα

Διεθνής ερευνητική ομάδα από την Κορέα και τις ΗΠΑ αντιμετώπισε αυτό το πρόβλημα τροποποιώντας με ακρίβεια ένα κυρίαρχο αντίγραφο. Στη μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Horticulture Research» οι ερευνητές αναφέρουν ότι χρησιμοποίησαν την τεχνολογία CRISPR/Cas9 στην εμπορική οκταπλοειδή ποικιλία φράουλας «Florida Brilliance». Η διατάραξη του γονιδίου MYB10-1B μετέτρεψε τους φυσιολογικά κόκκινους καρπούς σε σταθερά λευκούς.

Πριν τροποποιήσουν τα φυτά οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το MYB10-1B ήταν το κυρίαρχο αντίγραφο του MYB10 που έλεγχε τη συσσώρευση ανθοκυανινών καθώς ωρίμαζε ο καρπός. Η ανάλυση του μεταγραφώματος —η οποία μετρά τη δραστηριότητα των γονιδίων— έδειξε ότι το MYB10-1B εκφραζόταν έντονα στους κόκκινους καρπούς ενώ τα άλλα αντίγραφα συνεισέφεραν σχετικά λίγο και δεν μπορούσαν να αντισταθμίσουν την απενεργοποίηση του MYB10-1B.

Αυτή η διαφορά επέτρεψε στους ερευνητές να σχεδιάσουν το CRISPR/Cas9 ώστε να αναγνωρίζει μικρές διαφορές στην αλληλουχία μεταξύ των ομόλογων αντιγράφων. Με αυτόν τον τρόπο τροποποίησαν επιλεκτικά το MYB10-1B αποφεύγοντας σε μεγάλο βαθμό τα συγγενικά του αντίγραφα.

Στη συνέχεια τα τροποποιημένα φυτά εξετάστηκαν με ανάλυση τήξης υψηλής ανάλυσης, στοχευμένη αλληλούχιση αμπλικονίων και αλληλούχιση ολόκληρου του γονιδιώματος. Τα φυτά με λευκούς καρπούς παρουσίαζαν είτε ομόζυγες είτε αμφι-αλληλικές μεταλλάξεις ειδικά στο MYB10-1B ενώ εντοπίστηκαν μόνο ελάχιστες μη στοχευμένες αλλαγές σε άλλα σημεία του γονιδιώματος.

Οι καρποί παρέμειναν λευκοί σε όλη τη διάρκεια της ανάπτυξής τους όμως οι σπόροι παρέμειναν κόκκινοι, γεγονός που υποδεικνύει ότι υπάρχουν διαφορές ανάμεσα στους ιστούς ως προς τον τρόπο ρύθμισης της χρωστικής. Πρόσθετη ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης έδειξε ότι η απενεργοποίηση του MYB10-1B μείωσε δραστικά τη δραστηριότητα σημαντικών γονιδίων που συμμετέχουν στην παραγωγή ανθοκυανινών, μεταξύ των οποίων τα CHS, DFR και ANS.

Συνολικά τα αποτελέσματα αναδεικνύουν το MYB10-1B ως τον βασικό γενετικό «διακόπτη» που ελέγχει το χρώμα του καρπού της φράουλας και δείχνουν ότι μεμονωμένα ομόλογα γονιδιακά αντίγραφα μπορούν να τροποποιηθούν επιλεκτικά σε καλλιέργειες με πολύπλοκα πολυπλοειδή γονιδιώματα.

CRISPR, λευκές φράουλες και άλλοι υποψήφιοι

Η μετάλλαξη του MYB10-1B μέσω CRISPR/Cas9 οδήγησε στην παραγωγή λευκών καρπών φράουλας. Η ακρίβεια θα μπορούσε να αλλάξει τη βελτίωση των πολυπλοειδών καλλιεργειών.

«Η εργασία αυτή δείχνει ότι στις πολυπλοειδείς καλλιέργειες η ακρίβεια έχει μεγαλύτερη σημασία από τη δύναμη. Αντί να απενεργοποιήσουμε όλα τα αντίγραφα ενός γονιδίου, αποδείξαμε ότι η τροποποίηση ενός μόνο ομόλογου αντιγράφου που εκφράζεται κυρίαρχα αρκεί για να προκαλέσει μια δραματική και σταθερή φαινοτυπική αλλαγή. Αυτή η προσέγγιση περιορίζει τις ανεπιθύμητες επιδράσεις και ανοίγει νέες δυνατότητες για τη λειτουργική γονιδιωματική και τη βελτίωση καλλιεργειών με πολύπλοκα γονιδιώματα. Παρέχει έναν πρακτικό οδικό χάρτη για τη μετατροπή της γνώσης του γονιδιώματος σε πραγματική βελτίωση χαρακτηριστικών» αναφέρουν οι ερευνητές.

Οι επιπτώσεις της έρευνας ξεπερνούν την παραγωγή λευκών φραουλών. Η ίδια στρατηγική θα μπορούσε δυνητικά να χρησιμοποιηθεί για τη λεπτομερή τροποποίηση χαρακτηριστικών όπως η γεύση, η διατροφική αξία και η ανθεκτικότητα σε περιβαλλοντικές καταπονήσεις σε άλλα πολυπλοειδή φρούτα και λαχανικά.

Με την τροποποίηση ενός συγκεκριμένου και σημαντικού αντιγράφου γονιδίου αντί να διαταράσσονται όλα τα συγγενικά αντίγραφα η στοχευμένη τροποποίηση ομόλογων γονιδίων θα μπορούσε να δώσει στους βελτιωτές καλλιεργειών μεγαλύτερο έλεγχο διατηρώντας παράλληλα τα πολύτιμα γενετικά χαρακτηριστικά ήδη καθιερωμένων ποικιλιών.

Η βελτίωση των γονιδιωμάτων αναφοράς υψηλής ποιότητας και ο ολοένα ακριβέστερος σχεδιασμός CRISPR καθιστούν αυτό το επίπεδο στόχευσης πιο πρακτικό, διευρύνοντας τις δυνατότητες τροποποίησης πολύπλοκων χαρακτηριστικών σε πολυπλοειδείς καλλιέργειες.

Naftemporiki.gr