Genetik indsats beriger ernæring af popcorn, sorghum

To kerner af samme idé - at dyrke proteinkvalitet i kornkorn - er ved at blive moden på University of Nebraska-Lincoln.

Kvaliteten af ​​protein bliver ofte overskygget midt i søgelyset på dets mængde. Men denne egenskab – tilstedeværelsen eller fraværet af aminosyrer, der er essentielle for menneskers og husdyrs kost – optager tankerne hos Nebraskas David Holding.

Holding og hans kolleger på Beadle Center har brugt år på at arbejde på at hæve niveauet af en vital aminosyre, lysin, der er mangel på protein i flere korn. Ved at anvende forskellige tilgange – en traditionel, den anden fremkomne — holdet har nu formået at fordoble lysinindholdet i både popcorn og sorghum.

Højere lysin kunne tilføje økonomisk værdi og udvide tiltrækningen af ​​popcorn, sagde forskerne, samtidig med at den ernæringsmæssige værdi af biograffavoritten forbedres. Forøgelse af lysin i sorghum skulle gøre den tørkeresistente afgrøde til en mere komplet kilde til ernæring i udviklingslandene, hvor det nogle gange rangerer som en kostbarhed, og for husdyr i USA.

Springer ud af bulen

Dent majs, en verdensomspændende afgrøde og signatursorten fra Midtvesten, mangler lysin. Men i 1990'erne, forskere har med succes avlet en genvariant kendt som uigennemsigtig-2 til bulemajs. Ved at sænke produktionen af ​​normalt dominerende prolaminproteiner, opaque-2 muliggjorde en stigning i ikke-prolaminer, dem, der indeholder lysin og en anden essentiel aminosyre, tryptofan. Den resulterende sort - Kvalitet-Protein Majs, eller QPM – har siden hjulpet med at bekæmpe fejlernæring i mange udviklingslande.

Med opbakning fra Conagra Foods, Holding besluttede at prøve det samme i popcorn.

"Det viser sig, at det er virkelig svært at gøre, " sagde Holding, lektor i agronomi og gartneri.

Problemet var på én gang enkelt og komplekst:Popcorn indeholdende opaque-2 ville ikke springe. Og det problem stammede fra det, der står i dets navn:Opaque-2 har en tendens til at blive popcorns normalt hårde, glasagtige kerner til blødere, kridtforme, der er modstandsdygtige over for spring.

Agronomer havde tidligere formået at avle den uønskede egenskab ud af QPM-bule-majsen, som ellers var mere modtagelig for skadedyr og høstskader. Men det gjorde de for det meste uden at vide, hvilke gener der hjalp med at genoprette kernernes glasagtige konsistens.

Holding havde brugt lang tid på at identificere dele af majsgenomet, der var ansvarlig for at genoprette den glasagtighed. Så han satte sig for at krydse flere generationer af QPM dent-majsen med popcornvarianter, der mistænkes for at indeholde de genoprettende gener.

Resultatet? Højlysin popcorn, der popper næsten lige så godt som den originale variant.

"Da dette projekt startede, Jeg var ikke sikker på, at vi kunne nå det, i betragtning af, at folk ikke tidligere havde haft stor succes med at overføre gavnlige egenskaber fra dent-majs til popcorn, " sagde Holding. "Vi er de første til at tage dent QPM-varianten og med succes konvertere den til popcorn, opnå høj lysin og opretholde popping.

"Dette er et produkt, der egner sig til økologisk produktion og kan markedsføres som en ny popcornsort, efterhånden som forbrugerne er mere opmærksomme på deres fødevarers næringsværdi. Til popcorn-avl generelt, dette viser også potentialet for at udvinde andre egenskaber fra dent majs til popcorn for at forbedre afgrødens agronomiske ydeevne."

Bygger på arbejdet fra nyligt doktorgraduat Ying Ren, ph.d.-studerende Leandra Marshall krydser nu flere linjer af high-lysin popcorn for at fremme stærkere, højere ydende hybrider velegnet til marken. Sekventering af genomerne af disse linjer kan også gøre det muligt for holdet at udpege præcis, hvilke gener der genoprettede kernernes strukturelle integritet, hun sagde.

Bryd det ned

Sammen med deres egen lysinmangel, sorghumproteiner har et relateret problem:Mennesker og nogle husdyr kæmper for at fordøje dem, et problem, der kun bliver værre, når de er kogte.

For at løse begge problemer, Holdings team henvendte sig til det revolutionære biologiske værktøj kendt som CRISPR-Cas9, en DNA-enzym kombination, der kan målrettes til præcist at redigere gener. Ved at bruge CRISPR-Cas9, forskerne målrettede effektivt en familie på omkring 20 gener, der vides at sætte gang i produktionen af ​​prolaminproteiner.

I stedet for at dæmpe disse gener fuldstændigt - hvilket fører til upraktisk bløde, kalkholdige kerner - gruppen programmerede værktøjet til delvist at deaktivere genfamilien, en applikation af CRISPR-Cas9, som Holding kaldte den første af sin slags.

Endnu engang, forskerne så en stigning i lysin-husende ikke-prolamin-proteiner, selvom der var nok prolaminer tilbage til at bevare kernernes soliditet. På samme tid, mikroskopiske kar, der indeholder de prolaminer, der omdannes til en mere porøs form, lader fordøjelsesenzymer trænge ind og begynde at nedbryde proteinerne. Opfølgningsforsøg viste, at næsten dobbelt så meget af det resulterende mels protein kunne fordøjes.

Med det opnået, holdet krydser nu de nye sorghum-sorter for at forbedre deres brug af vækstnødvendigt nitrogen og opbygge andre ønskværdige egenskaber. Krydsningen vil også fjerne CRISPR-genet, som holdet implanterede, eliminering af potentialet for uforudsete genetiske effekter og strømlining af godkendelse fra det amerikanske landbrugsministerium.

"Vi laver noget, der er innovativt ud fra et videnskabeligt perspektiv, men som også har en direkte anvendelse, der kan ramme markedet relativt hurtigt, " Holding sagde. "Begge disse projekter er drevet af ønsket om at have et salgbart produkt i slutningen."