การปรับมุมใบอ้อยด้วยระบบ CRISPR ช่วยเพิ่มผลผลิตชีวมวล 

อ้อยเป็นพืชที่ให้ผลผลิตชีวมวลมากที่สุดในโลก โดยให้ผลผลิตเป็นน้ำตาลร้อยละ 80 และเชื้อเพลิงชีวภาพร้อยละ 40 ของผลผลิตทั่วโลก  ขนาดของพืชและการใช้น้ำและแสงอย่างมีประสิทธิภาพทำให้อ้อยกลายเป็นตัวเลือกหลักในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ชีวภาพและเชื้อเพลิงชีวภาพที่มีมูลค่าเพิ่มและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ 

อย่างไรก็ตาม อ้อยเป็นพืชลูกผสมระหว่าง Saccharum officinarum และ Saccharum spontaneum มีจีโนมที่ซับซ้อนที่สุดในบรรดาพืชทั้งหมด  ความซับซ้อนนี้ทำให้การปรับปรุงพันธุ์อ้อยโดยใช้วิธีดั้งเดิมเป็นเรื่องที่ท้าทายเป็นอย่างยิ่ง นักวิจัยจึงหันมาใช้เครื่องมือตัดต่อพันธุกรรม เช่น ระบบ CRISPR/Cas9 ในการกำหนดจีโนมเป้าหมายของอ้อยเพื่อปรับปรุงพันธุ์ได้อย่างแม่นยำขึ้น 

ในบทความที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารแพลนต์ ไบโอเทคโนโลยี เจอร์นัล ทีมนักวิจัยจากศูนย์นวัตกรรมพลังงานชีวภาพและผลิตภัณฑ์ชีวภาพขั้นสูง มหาวิทยาลัยฟลอริดา ได้ใช้ความซับซ้อนทางพันธุกรรมนี้ให้เกิดประโยชน์โดยใช้ระบบ CRISPR/Cas9 เพื่อปรับมุมใบอ้อยให้เหมาะสม  การปรับแต่งทางพันธุกรรมนี้ช่วยให้อ้อยสามารถรับแสงแดดได้มากขึ้น ส่งผลให้ผลผลิตชีวมวลเพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย 

งานวิจัยนี้สนับสนุนแนวทาง “โรงงานผลิตพืช” ของศูนย์วิจัย CABBI ที่ได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา เป้าหมายของการศึกษานี้ คือ การวิจัยการผลิตวัตถุดิบเพื่อผลิตสินค้า ซึ่งประกอบด้วยการสังเคราะห์เชื้อเพลิงชีวภาพ ผลิตภัณฑ์ชีวภาพ และโมเลกุลที่มีมูลค่าสูงจากลำต้นของพืชต่าง ๆ เช่น อ้อย เป็นต้น 

ความซับซ้อนของจีโนมของอ้อยเกิดขึ้นจากจำนวนจีโนมที่ซ้ำซ้อนกันเป็นจำนวนมาก จีโนมของอ้อยประกอบด้วยยีนต่าง ๆ ที่ทับซ้อนกันหลายชุด ดังนั้นฟีโนไทป์ที่ต้นอ้อยเผยลักษณะออกมาจึงมักขึ้นอยู่กับการปรากฏของยีนชุดหนึ่ง ๆ รวมกัน ระบบ CRISPR/Cas9 จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานนี้ เนื่องจากสามารถปรับแต่งระบบให้แก้ไขยีนชุดเดียวหรือหลายชุดพร้อมกันได้ 

งานวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่ยีน LIGULELESS1 หรือ LG1 มีบทบาทสำคัญในการกำหนดมุมใบอ้อย มุมใบอ้อยจะเป็นตัวกำหนดว่าต้นอ้อยจะได้รับแสงมากน้อยเพียงใด  สิ่งนี้มีความสำคัญต่อการผลิตชีวมวลเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากจีโนมของอ้อยมียีน LG1 ถึง 40 ชุด นักวิจัยจึงสามารถปรับมุมใบอ้อยให้แม่นยำขึ้นได้โดยแก้ไขยีนนี้ในจำนวนชุดที่แตกต่างกัน ซึ่งมุมใบอ้อยจะแตกต่างกันเล็กน้อยขึ้นอยู่กับว่ามีการแก้ไขยีน LG1 กี่ชุด 

“ในอ้อยที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม LG1 บางส่วน เราเพียงแค่ทำให้จีโนมบางส่วนกลายพันธุ์เท่านั้น” เฟรดี้ อัลท์ปีเตอร์ หัวหน้าทีมวิจัยและศาสตราจารย์ด้านเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยฟลอริดากล่าว “เช่นนี้แล้ว เราจึงสามารถปรับโครงสร้างของใบจนพบมุมที่เหมาะสมที่สุดที่ช่วยเพิ่มผลผลิตชีวมวลได้” 

นักวิจัยได้ทดลองปลูกอ้อยในแปลงทดลองและพบว่า ลักษณะใบที่ตั้งตรงทำให้แสงส่องผ่านเรือนยอดได้มากขึ้นและส่งผลให้ผลผลิตชีวมวลเพิ่มขึ้นได้  พวกเขาจึงได้ดัดแปลงยีน LG1 ในอ้อยสายพันธุ์หนึ่งประมาณร้อยละ 12 ทำให้มุมเอียงของใบอ้อยลดลงร้อยละ 56 ซึ่งได้ผลผลิตชีวมวลเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 18 

ด้วยการปรับให้อ้อยรับแสงได้มากขึ้น ผลผลิตจากอ้อยที่ผ่านการดัดแปลงยีนก็เพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใส่ปุ๋ยเพิ่มในแปลง นอกเหนือไปจากนั้น การที่นักวิจัยมีความเข้าใจในพันธุศาสตร์ที่ซับซ้อนและการตัดแต่งจีโนมยังช่วยให้พวกเขาสามารถพัฒนาวิธีการปรับปรุงพืชผลให้ดีขึ้นได้อีกด้วย 

“การศึกษานี้เป็นงานวิจัยที่มีการทดลองกับอ้อยในภาคสนามที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมด้วย CRISPR ชิ้นแรกที่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญ” อัลท์ปีเตอร์กล่าว “และผลงานนี้ยังทำให้เห็นถึงโอกาสในการแก้ไขโพลีพลอยด์ของพืช ที่นักวิจัยสามารถปรับแต่งลักษณะเฉพาะต่าง ๆ ของพืชได้ในอนาคต”