佛羅裡達大學的研究人員利用CRISPR/Cas9 技術改造了甘蔗的葉片角度，顯著提高了甘蔗的陽光捕獲量和生物質產量。在編輯甘蔗複雜的多倍體基因組方面取得的這一突破標誌著作物改良和生物燃料生產領域的重大進展。研究人員利用CRISPR 基因編輯技術優化了甘蔗的葉片角度，提升了甘蔗對陽光的吸收能力。

甘蔗是全球生物質產量最高的作物，佔全球糖產量的80% 和生物燃料產量的40%。其巨大的體積和對水和光的最佳利用，使其成為生產創新可再生生物產品和生物燃料的理想來源。

然而，甘蔗作為Saccharum officinarum和Saccharum spontaneum 的雜交種，其基因組是所有作物中最複雜的。這種複雜性意味著透過傳統育種方法改良甘蔗具有挑戰性。正因如此，研究人員轉而使用基因編輯工具，如CRISPR/Cas9 系統，來精確地針對甘蔗基因組進行改良。

埃莉諾-布蘭特（Eleanor Brant）收集葉片樣本，用於基因編輯甘蔗的分子分析。圖片來源：Charles Keato

佛羅裡達大學先進生物能源和生物產品創新中心（CABBI）的一個研究小組在《植物生物技術期刊》上發表的新論文中，利用這種遺傳複雜性的優勢，使用CRISPR/Cas9 系統對甘蔗的葉片角度進行了微調。這些基因調整使甘蔗能夠捕捉到更多的陽光，從而增加了生物質的產量。

這項工作支持能源部資助的CABBI 生物能源研究中心的”植物即工廠”方法及其原料生產研究的主要目標–直接在甘蔗等植物的莖中合成生物燃料、生物產品和高價值分子。

甘蔗基因組的複雜性部分歸因於其高度冗餘性：它的每個基因都有多個拷貝。因此，甘蔗植株所表現出的表型通常取決於某一基因多個拷貝的累積表現。 CRISPR/Cas9 系統非常適合完成這項任務，因為它可以一次編輯一個基因的幾個或多個拷貝。

Baskaran Kannan 在田間評估基因編輯甘蔗。圖片來源：Uzair Khan

這項研究的重點是LIGULELESS1（即LG1），該基因在決定甘蔗葉片角度方面發揮著重要作用。葉片角度反過來又決定了植物能捕捉多少光，而這對生物量的生產至關重要。由於甘蔗的高度冗餘基因組包含40 個LG1 基因拷貝，研究人員能夠透過編輯不同數量的LG1基因拷貝對葉片角度進行微調，從而根據編輯LG1基因拷貝的數量產生略微不同的葉片角度。

“在一些經過LG1編輯的甘蔗中，我們只是突變了幾個拷貝，”研究小組負責人、佛羅裡達大學農學教授Fredy Altpeter 說。 “藉由這樣做，我們能夠調整葉片結構，直到找到能提高生物量產量的最佳角度”。

實地試驗結果及對未來的影響

當研究人員在田間試驗中種植甘蔗時，他們發現直立的葉片表型可以讓更多的光線穿透冠層，從而提高了生物量產量。其中一個甘蔗品系的LG1拷貝數約12%，葉片傾斜角度減少了56%，乾燥生物量產量卻增加了18%。

透過優化甘蔗以捕捉更多光照，這些基因編輯可以提高生物量產量，而無需在田間添加更多肥料。除此之外，加深對複雜遺傳學和基因組編輯的理解，有助於研究人員改善作物改良方法。

Altpeter說：”這是第一篇描述CRISPR編輯甘蔗田間試驗的同行評審出版物。這項工作也為編輯多倍體作物基因組提供了獨特的機會，研究人員可以對特定性狀進行微調。”

編譯來源：ScitechDaily