Екип от учени от университета в Небраска-Линкълн увеличават нивата и качеството на протеините в соргото и царевицата, използвани за производството на пуканки. За това те използват традиционно развъждане и нови техники като генетично редактиране с CRISPR.

Качеството на протеините често е засенчено в средата на вниманието за неговото количество. Но това качество, наличието или отсъствието на основни аминокиселини за диетата на хората и добитъка, заема съзнанието на Дейвид Холдинг в Небраска.

зърнени

Холдинг и колегите му от центъра „Бийдъл“ прекарват години, за да повишат нивата на жизненоважна аминокиселина, лизин, която е рядка в протеините на няколко зърнени култури. Приемайки различни подходи, един традиционен развъден и един нововъзникващ, сега екипът е успял да удвои грубо съдържанието на лизин както в пуканките, така и в соргото.

По-високото ниво на лизин може да добави икономическа стойност и да разшири привлекателността на пуканките, казват изследователите, като в същото време увеличава хранителната стойност на любимия ви филм. Повишеният лизин в соргото трябва да направи тази устойчива на суша култура по-пълноценен източник на хранене в развиващия се свят, където понякога се класифицира като основна храна и за добитък в Съединените щати.

Премахване на вдлъбнатината

Вдлъбнатата царевица (или полска царевица), световна култура и сортът на американския Среден Запад, има недостиг на лизин. Но през 90-те години изследователите успешно създадоха генетичен вариант, известен като "непрозрачен-2" в полската царевица. Чрез намаляване на производството на нормално доминиращи проламинови протеини, непрозрачният-2 позволява увеличаване на непроламиновите протеини: тези, съдържащи лизин и друга незаменима аминокиселина, триптофан. Полученият сорт - висококачествена протеинова царевица или накратко QPM, оттогава помага в борбата с недохранването в много развиващи се страни.

С подкрепата на Conagra Foods, холдингът реши да опита същото в пуканките.

"Оказва се, че това наистина е трудно да се направи", каза Холдинг, доцент по агрономия и градинарство.

Проблемът беше както прост, така и сложен: пуканки, съдържащи непрозрачен-2, няма да експлодират при нагряване. И този проблем произтича от това, което е в името му: Opaque-2 има тенденция да превръща стъклени и нормално твърди зърна (от царевица до пуканки) в по-меки, кредасти форми, устойчиви на пукане.

Преди това агрономите бяха успели да премахнат тази нежелана черта (или характеристика) от QPM царевица, което я направи по-податлива на вредители и щети по време на реколтата. Но те го направиха най-вече, без да знаят кои гени спомогнаха за възстановяване на стъклената консистенция на зърната. (класически проблем на традиционното генетично подобрение).

Холдингът беше отделил значително време за идентифициране на части от генома на царевицата, отговорни за възстановяването на тази стъклена консистенция. Така той се зае да кръстосва няколко поколения QPM царевица със сортовете пуканки, за които се подозира, че съдържат възстановяващи гени.

Резултатът? Пуканки с висок лизин, които изглеждат почти толкова добри, колкото оригиналния сорт.

„Когато този проект стартира, не бях сигурен, че можем да го направим, тъй като в миналото хората не са били много успешни в пренасянето на полезните качества от царевицата върху пуканките“, каза Холдинг. "Ние сме първите, които взехме сорта QPM и успешно го превърнахме в пуканки, постигайки високо ниво на лизин и поддържайки поп".

„Това е продукт, който се поддава на биологично производство и може да се продава като нов сорт пуканки, тъй като потребителите обръщат повече внимание на хранителната стойност на храната си. За отглеждането на пуканки като цяло, това също показва потенциала да се извлекат други характеристики от полската царевица до царевицата пуканки и по този начин да се подобри агрономичният добив на културата.

Въз основа на работата на неотдавнашния докторант Ин Рен, докторантът Леандра Маршал сега пресича няколко линии високо-лизинови пуканки, за да популяризира по-силни, по-високодоходни хибриди, подходящи за полето. Последователността на геномите на тези линии също може да позволи на екипа да идентифицира точно кои гени възстановяват структурната цялост на зърната, каза той.

Разчупвайки го

Заедно със собствения си дефицит на лизин, протеините от сорго имат и свързан проблем: Хората и някои животни се борят да ги усвоят, проблем, който се влошава само при готвене.

За да отговори на двата въпроса, екипът на Холдинга се обърна към революционен биологичен инструмент, известен като CRISPR-Cas9, комбинация от ДНК ензими, които могат да се използват за прецизно редактиране на гени. Използвайки CRISPR-Cas9, изследователите са насочили към семейство от приблизително 20 гена, за които е известно, че стимулират производството на проламин протеин.

Вместо да заглуши напълно тези гени (което води до непрактични и калциално меки зърна), групата програмира инструмента за частично деактивиране на генното семейство, приложение на CRISPR-Cas9, което Holding нарече първото по рода си.

Отново изследователите отчитат увеличаване на съдържащите лизин непроламинови протеини, дори когато остава достатъчно проламини, за да поддържат твърдостта на зърната. В същото време микроскопичните съдове, съдържащи тези проламини, се трансформират в по-пореста форма, позволявайки на храносмилателните ензими да проникнат и да започнат да разграждат протеините. Последващи експерименти показаха, че почти два пъти протеинът в полученото брашно може да бъде усвоен.

С това, екипът вече пресича новите сортове сорго подобряват използването на основен азот за растеж и разработват други желани характеристики. Кросоувърът също така ще премахне редактирания от CRISPR ген, който екипът имплантира, ще елиминира потенциала за непредвидени генетични ефекти и ще опрости одобрението на USDA.

"Правим нещо, което е иновативно от научна гледна точка, но има и пряко приложение, което може да достигне до пазара сравнително бързо", каза Холдинг. „И двата проекта са мотивирани от желанието в крайна сметка да имаме пазарен продукт“.