持続可能なバイオエネルギー生産に有望な多年生作物であるススキの精密遺伝子編集が初成功した。米国エネルギー省が資金援助しているバイオエネルギー研究センター（BRC）の先進バイオエネルギー・バイオ製品イノベーションセンター（CABBI）のチームは、CRISPR/Cas9を用いて3種のススキのゲノムを編集し、従来の方法よりもはるかに対象を絞り込み、効率的に新しい品種を開発することに成功した。この成果は、バイオ燃料、再生可能なバイオ製品、炭素隔離の原料として、生産性は高いが遺伝的に複雑なこの草の大きな可能性を加速させるものだ。
2022年12月28日にBiotechnology for Biofuels and Bioproducts誌に掲載されたこの研究は、アラバマ州のハドソンアルファ生物工学研究所のCABBIススキ研究者の3名（教員研究員のカンクシータ・スワミナサン博士、研究員のアンソニー・チュウ博士、元ポスドクのモハマド・ベラフィフ博士）とミシシッピー州立大学生物科学部教授のナンシー・ライヒェルト博士によって主導されたものである。このオープンアクセス版の論文は「バイオエネルギーイネ科ススキの形質転換と遺伝子編集（Transformation and Gene Editing in the Bioenergy Grass Miscanthus）」と題されている。
スワミナサン博士は、2020年にススキのゲノム解読を行った国際チームを率いている。この成果は、ススキの生産性を最大限に高め、その望ましい形質の遺伝的基盤を解読する新たな方法を探る研究者に道筋を示すものであった。ススキは非常に適応性が高く、栽培が容易な植物だ。また、乾燥や低温に強く、より効率の良いC4光合成を行うことができる。
これまで、ススキを遺伝子工学的に改良する取り組みでは、特定の部位を狙ったり、既存の遺伝子を改変したりするのではなく、外部遺伝子をゲノム内のランダムな位置に導入して、植物を形質転換することに焦点が当てられてきた。
CABBIチームは、CRISPR/Cas9を用いた遺伝子編集法を開発し、ススキの植物体内にある既存の遺伝子を選択的に標的として、その機能をノックアウトしたり、新しい遺伝子を正確な位置に導入したりすることを可能にした。このターゲティング能力は、この重要なバイオマス作物の遺伝子改良のための新しい道を示している。
この研究では、バイオエネルギー用に商業栽培されている生産性の高いススキ（Miscanthus x giganteus）と、その親であるサッカリフロルス（M. sacchariflorus）とシナンシス（M. sinensis）の3種で遺伝子編集が実証された。これらの植物は古代のモロコシのようなDNAと複数の染色体が重複した古倍数体であるため、遺伝子編集のために遺伝子の位置を特定するガイドRNAの設計には、遺伝子のすべてのコピーを対象とし、冗長性を考慮して完全に「ノックアウト」できるようにする必要があった。
CABBIの研究者らは、Zea mays（トウモロコシ）における同様の遺伝子編集を基に、遺伝子変化の視覚的確認に役立つターゲットとしてレモンホワイト1（lw1）遺伝子を同定した。その遺伝子はクロロフィルとカロテノイドの生合成に関与し、葉の色に影響を与える。先行研究では、CRISPR/Cas9でlw1を編集すると、淡緑色/黄色、ストライプ、または白色の葉の表現型が得られることが実証されている。
研究チームは、ススキとソルガムから得た配列情報をもとに、ススキの植物組織でlw1のホメオログ（重複する遺伝子コピー）を標的とするガイドRNAを同定した。編集したススキの葉は、トウモロコシで見られるのと同じ表現型を示し、典型的な緑色ではなく、淡い緑色や黄色、縞模様、白色の葉となった。
この研究は、バイオエネルギーの持続可能な生産を開発し、厳選した原料（ススキ、ソルガム、サトウキビ）を工学的に処理して、油や特殊化学品などの新規バイオ製品を生産するというCABBIの使命を強化するものだ。この研究以前は、ススキにおける精密な工学的手法が開発されていなかったため、生物工学的手法はソルガムとサトウキビに限定されていた。
「形質転換可能な胚芽の同定、信頼性の高い形質転換法の開発、そしてススキの遺伝子編集の実証は、すべてススキのパスウェイ工学に向けた重要なステップだ。この研究は、石油系エネルギーへの依存を減らすことに、数歩近づくのに役立つ。」とスワミナサン博士は述べている。ススキを正確に編集して生産性を向上させ、限界集落での継続的な成長を可能にし、油などの特殊化学品を生産できるようになれば、バイオエネルギー作物としてのススキの地位を現実的なものにすることができるだろう。
研究チームは、良好な形質転換を行うススキ系統を特定するため、商業業者やこの研究の共同研究者からの生殖質をスクリーニングした。ほとんどの系統は、共著者であるイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の作物科学教授、エリック・サックス博士から提供されたもので、彼は世界中から生殖質を収集している。サックス博士とスワミナサン博士は、CABBIの原料生産研究の副テーマリーダーを務めている。
「この研究プロジェクトは、重要な目標を達成するために、研究者が分野の垣根を越えて協力し、複数の機関で行われた高度な取り組みだった。このプロジェクトは、CABBIだけでなく、他のBRCにおいても、研究に対する『大局的』なアプローチを強化するものだった。」とライヒェルト博士は述べている。
[News release] [Biotechnology for Biofuels and Bioproducts article]
