Twee korrels van hetzelfde idee - het cultiveren van eiwitkwaliteit in graankorrels - worden volwassen aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln.

De kwaliteit van eiwitten wordt vaak overschaduwd door de schijnwerpers op de kwantiteit ervan. Maar die kwaliteit - de aan- of afwezigheid van aminozuren die essentieel zijn voor de voeding van mensen en vee - houdt de geest van David Holding in Nebraska bezig.

Holding en zijn collega's van het Pedelcentrum hebben jarenlang gewerkt aan het verhogen van de niveaus van een essentieel aminozuur, lysine, dat is schaars in het eiwit van verschillende graankorrels. Door verschillende benaderingen toe te passen - een traditionele, de andere opkomende - het team is er nu in geslaagd om het lysine-gehalte van zowel popcorn als sorghum ongeveer te verdubbelen.

Hogere lysine kan economische waarde toevoegen en de aantrekkingskracht van popcorn vergroten, zeiden de onderzoekers, terwijl het de voedingswaarde van de bioscoopfavoriet verbetert. Het stimuleren van lysine in sorghum zou van het droogteresistente gewas een completere voedingsbron moeten maken in de derde wereld, waar het soms geldt als een hoofdbestanddeel van de voeding, en voor vee in de Verenigde Staten.

De deuk eruit halen

Deuk maïs, een wereldwijd gewas en de kenmerkende variëteit van het Midwesten, heeft een tekort aan lysine. Maar in de jaren negentig onderzoekers hebben met succes een genvariant gefokt die bekend staat als opaque-2 in deukmaïs. Bij het verlagen van de productie van normaal dominante prolamine-eiwitten, opaque-2 zorgde voor een stijging van niet-prolaminen, die met lysine en een ander essentieel aminozuur, tryptofaan. De resulterende variëteit - kwaliteits-eiwitmaïs, of QPM – heeft sindsdien geholpen bij de bestrijding van ondervoeding in veel ontwikkelingslanden.

Met de steun van Conagra Foods, Holding besloot hetzelfde te proberen in popcorn.

"Het blijkt dat dat heel moeilijk is om te doen, " zei Holding, universitair hoofddocent agronomie en tuinbouw.

Het probleem was zowel eenvoudig als complex:popcorn met opaque-2 zou niet knallen. En dat probleem kwam voort uit wat in zijn naam staat:Opaque-2 heeft de neiging om popcorn normaal gesproken hard te maken, glazige korrels in zachter, krijtachtige vormen die bestand zijn tegen knallen.

Landbouwkundigen waren er eerder in geslaagd om de ongewenste eigenschap uit de QPM-deukgraan te kweken, die anders vatbaarder was voor plagen en oogstschade. Maar ze deden dat meestal zonder te weten welke genen hielpen de glasachtige consistentie van de korrels te herstellen.

Holding had veel tijd besteed aan het identificeren van delen van het maïsgenoom die verantwoordelijk zijn voor het herstellen van die glazigheid. Dus ging hij op pad om meerdere generaties van de QPM-deukmaïs te kruisen met popcornvariëteiten waarvan vermoed werd dat ze de herstellende genen bevatten.

De uitkomst? Hoog-lysine popcorn die bijna net zo goed knalt als de originele variant.

“Toen dit project begon, Ik wist niet zeker of we dat konden bereiken, aangezien mensen in het verleden niet erg succesvol waren in het overbrengen van gunstige eigenschappen van deukmaïs naar popcorn, Holding zei. "We zijn de eersten die de dent QPM-variëteit nemen en die met succes omzetten in popcorn, het bereiken van hoge lysine en het handhaven van popping.

"Dit is een product dat zich leent voor biologische productie en dat als nieuw soort popcorn op de markt kan worden gebracht. omdat consumenten meer aandacht besteden aan de voedingswaarde van hun voedsel. Voor popcornveredeling in het algemeen, dit toont ook het potentieel aan voor het ontginnen van andere eigenschappen van deukmaïs tot popcorn om de agronomische prestaties van het gewas te verbeteren."

Voortbouwend op het werk van recent doctoraal afgestudeerde Ying Ren, promovendus Leandra Marshall kruist nu meerdere lijnen van de high-lysine popcorn om sterkere, hybrides met een hogere opbrengst die geschikt zijn voor het veld. Door de genomen van die lijnen te sequensen, kan het team ook precies bepalen welke genen de structurele integriteit van de korrels hebben hersteld. ze zei.

Breek het op

Samen met hun eigen lysinetekort, sorghum-eiwitten hebben een verwant probleem:mensen en sommige dieren hebben moeite om ze te verteren, een probleem dat alleen maar erger wordt als ze gaar zijn.

Om beide problemen aan te pakken, Holding's team wendde zich tot het revolutionaire biologische hulpmiddel dat bekend staat als CRISPR-Cas9, een DNA-enzymcombinatie die kan worden gericht om genen nauwkeurig te bewerken. Met behulp van CRISPR-Cas9, de onderzoekers richtten zich effectief op een familie van ongeveer 20 genen waarvan bekend is dat ze de productie van prolamine-eiwitten op gang brengen.

In plaats van die genen volledig tot zwijgen te brengen, wat leidt tot onpraktisch zachte, krijtachtige kernels - de groep programmeerde de tool om de genenfamilie gedeeltelijk te deactiveren, een toepassing van CRISPR-Cas9 die Holding de eerste in zijn soort noemde.

Alweer, zagen de onderzoekers een stijging van de niet-prolamine eiwitten die lysine bevatten, zelfs toen er genoeg prolaminen overbleven om de stevigheid van de korrels te behouden. Tegelijkertijd, microscopisch kleine vaten die die prolaminen bevatten, veranderden in een meer poreuze vorm, waardoor spijsverteringsenzymen kunnen doordringen en beginnen met het afbreken van de eiwitten. Vervolgexperimenten toonden aan dat bijna twee keer zoveel van het resulterende meeleiwit kon worden verteerd.

Met dat volbracht, het team kruist nu de nieuwe sorghumvariëteiten om hun gebruik van voor groei essentiële stikstof te verbeteren en andere gewenste eigenschappen op te bouwen. De kruising zal ook het CRISPR-gen verwijderen dat het team heeft geïmplanteerd, het elimineren van het potentieel voor onvoorziene genetische effecten en het stroomlijnen van de goedkeuring van het Amerikaanse ministerie van landbouw.

"We doen iets dat innovatief is vanuit een wetenschappelijk perspectief, maar dat ook een directe toepassing heeft die relatief snel op de markt kan komen, Holding zei. "Beide projecten worden gedreven door de wens om aan het eind een verkoopbaar product te hebben."