Một chỉnh sửa gen rất nhỏ, chỉ điều chỉnh góc của lá mía khiến cho nó nhận được nhiều ánh sáng mặt trời hơn. Từ đó làm tăng lượng sinh khối được tạo ra.

Mía là cây trồng lớn nhất thế giới tính theo năng suất sinh khối, cung cấp 80% lượng đường và 40% nhiên liệu sinh học được sản xuất trên toàn thế giới. Quy mô của nhà máy và việc sử dụng nước và ánh sáng hiệu quả khiến nó trở thành ứng cử viên hàng đầu để sản xuất các sản phẩm sinh học và nhiên liệu sinh học có giá trị gia tăng, tái tạo tiên tiến.

Tuy nhiên, là giống lai giữa cỏ mía và cỏ hoang (Saccharum officinarum và Saccharum spontaneum), cây mía có bộ gen phức tạp nhất trong tất cả các loại cây trồng. Sự phức tạp này có nghĩa là việc cải thiện cây mía thông qua nhân giống thông thường là một thách thức.

Do đó, các nhà nghiên cứu chuyển sang sử dụng các công cụ chỉnh sửa gen, chẳng hạn như hệ thống CRISPR/Cas9 để nhắm mục tiêu chính xác vào bộ gen cây mía để cải thiện.

Sử dụng trình chỉnh sửa gen để tạo ra một giống mía mới chỉ khác một chút ít.

Trong bài báo mới của họ, được xuất bản trên Tạp chí Công nghệ sinh học thực vật, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Florida tại Trung tâm Đổi mới năng lượng sinh học và sản phẩm sinh học tiên tiến (CABBI - Mỹ) đã tận dụng sự phức tạp di truyền này để tạo lợi thế cho họ khi sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 để tinh chỉnh - điều chỉnh góc lá mía.

Những cải tiến di truyền này cho phép cây mía thu được nhiều ánh sáng mặt trời hơn, từ đó làm tăng lượng sinh khối được tạo ra.

Công trình này hỗ trợ phương pháp tiếp cận "thực vật như nhà máy" của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Sinh học CABBI và mục tiêu chính của nghiên cứu Sản xuất Nguyên liệu thô của Trung tâm này—để tổng hợp nhiên liệu sinh học, sản phẩm sinh học và các phân tử có giá trị cao trực tiếp trong thân cây như mía.

Độ nghiên của lá mía được thay đổi khiến cho nó nhận được nhiều ánh sáng hơn.

Sự phức tạp của bộ gen cây mía một phần là do mức độ dư thừa cao: Nó sở hữu nhiều bản sao của mỗi gen. Do đó, kiểu hình mà cây mía thể hiện thường phụ thuộc vào sự biểu hiện tích lũy của nhiều bản sao của một gen nhất định. Hệ thống CRISPR/Cas9 hoàn hảo cho nhiệm vụ này vì nó có thể được thiết kế để chỉnh sửa một vài hoặc nhiều bản sao của gen cùng một lúc.

Nghiên cứu này tập trung vào LIGULELESS1, hay LG1, một gen đóng vai trò chính trong việc xác định góc lá ở cây mía. Ngược lại, góc của lá quyết định lượng ánh sáng mà cây có thể thu được, điều này rất quan trọng cho việc sản xuất sinh khối. Do bộ gen rất dư thừa của cây mía chứa 40 bản sao LG1 nên các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh góc lá bằng cách chỉnh sửa số lượng bản sao khác nhau của gen này, dẫn đến góc lá hơi khác nhau tùy thuộc vào số lượng bản sao LG1 được chỉnh sửa.

Tổng lượng sinh khối thu lại từ giống mới cao hơn đến 18% mà không cần bón thêm phân.

Khi các nhà nghiên cứu trồng mía trong các thử nghiệm trên đồng ruộng , họ phát hiện ra rằng kiểu hình lá thẳng đứng cho phép nhiều ánh sáng xuyên qua tán cây hơn, dẫn đến năng suất sinh khối tăng lên. Đặc biệt, một dòng mía, có các chỉnh sửa ở khoảng 12% số bản sao LG1 và cho thấy góc nghiêng của lá giảm 56%, đã có năng suất sinh khối khô tăng 18%.

Bằng cách tối ưu hóa cây mía để thu được nhiều ánh sáng hơn, những chỉnh sửa gen này làm tăng năng suất sinh khối mà không cần phải bón thêm phân bón cho đồng ruộng. Ngoài ra, việc xây dựng sự hiểu biết sâu sắc hơn về di truyền phức tạp và chỉnh sửa bộ gen giúp các nhà nghiên cứu hướng tới các phương pháp cải tiến để cải tiến cây trồng.