Deux noyaux de la même idée - cultiver la qualité des protéines dans les grains de céréales - arrivent à maturité à l'Université du Nebraska-Lincoln.

La qualité des protéines est souvent éclipsée au milieu des projecteurs sur leur quantité. Mais cette qualité – la présence ou l'absence d'acides aminés essentiels à l'alimentation des humains et du bétail – occupe l'esprit de David Holding du Nebraska.

Holding et ses collègues du Beadle Center ont passé des années à travailler pour augmenter les niveaux d'un acide aminé vital, lysine, c'est rare dans les protéines de plusieurs céréales. En adoptant différentes approches, l'une traditionnelle, l'autre émergente—l'équipe a maintenant réussi à environ doubler la teneur en lysine du maïs soufflé et du sorgho.

Une lysine plus élevée pourrait ajouter de la valeur économique et élargir l'attrait du pop-corn, les chercheurs ont dit, tout en améliorant la valeur nutritionnelle du favori du cinéma. Le renforcement de la lysine dans le sorgho devrait faire de la culture résistante à la sécheresse une source de nutrition plus complète dans le monde en développement, où il se classe parfois comme un aliment de base, et pour le bétail aux États-Unis.

Faire sortir la bosse

Maïs denté, une culture mondiale et la variété signature du Midwest, est carencé en lysine. Mais dans les années 90, les chercheurs ont réussi à reproduire une variante de gène connue sous le nom d'opaque-2 dans du maïs denté. En abaissant la production de protéines de prolamine normalement dominantes, opaque-2 a permis une augmentation des non-prolamines, ceux contenant de la lysine et un autre acide aminé essentiel, tryptophane. La variété résultante—Maïs protéiné de qualité, ou QPM—a depuis aidé à lutter contre la malnutrition dans de nombreux pays en développement.

Avec le soutien de Conagra Foods, Holding a décidé d'essayer la même chose dans le pop-corn.

"Il s'avère que c'est vraiment difficile à faire, " dit Holding, professeur agrégé d'agronomie et d'horticulture.

Le problème était à la fois simple et complexe :le pop-corn contenant de l'opaque-2 n'éclatait pas. Et ce problème découle de son nom :Opaque-2 a tendance à rendre le pop-corn normalement dur, grains vitreux en plus doux, formes plus crayeuses résistantes à l'éclatement.

Les agronomes avaient déjà réussi à sélectionner le caractère indésirable du maïs denté QPM, qui était autrement plus sensible aux ravageurs et aux dommages causés par la récolte. Mais ils l'ont fait la plupart du temps sans savoir quels gènes ont aidé à restaurer la consistance vitreuse des grains.

Holding avait consacré un temps considérable à l'identification des bandes du génome du maïs responsables de la restauration de cette vitrerie. Il a donc entrepris de croiser plusieurs générations de maïs denté QPM avec des variétés de maïs soufflé soupçonnées de contenir les gènes réparateurs.

Le résultat? Pop-corn à haute teneur en lysine qui éclate presque aussi bien que la variété originale.

"Quand ce projet a démarré, Je n'étais pas sûr que nous puissions y parvenir, étant donné que les gens n'avaient pas très bien réussi à transférer les caractéristiques bénéfiques du maïs denté au maïs soufflé dans le passé, " Holding a déclaré. "Nous sommes les premiers à prendre la variété dent QPM et à la convertir avec succès en pop-corn, atteindre une lysine élevée et maintenir le popping.

« C'est un produit qui se prête à la production biologique et peut être commercialisé comme une nouvelle variété de maïs soufflé, les consommateurs étant plus attentifs à la valeur nutritionnelle de leurs aliments. Pour la sélection de pop-corn en général, cela montre également le potentiel d'extraction d'autres caractères du maïs denté en maïs soufflé pour améliorer les performances agronomiques de la culture. »

S'appuyant sur les travaux de la récente doctorante Ying Ren, La doctorante Leandra Marshall croise maintenant plusieurs lignées de maïs soufflé à haute teneur en lysine pour promouvoir des hybrides à haut rendement adaptés au champ. Le séquençage des génomes de ces lignées pourrait également permettre à l'équipe de déterminer exactement quels gènes ont restauré l'intégrité structurelle des noyaux, elle a dit.

Décomposez-le

En plus de leur propre carence en lysine, les protéines de sorgho ont un problème connexe :les humains et certains animaux ont du mal à les digérer, un problème qui ne fait qu'empirer quand ils sont cuits.

Pour résoudre les deux problèmes, L'équipe du Holding s'est tournée vers l'outil biologique révolutionnaire connu sous le nom de CRISPR-Cas9, une combinaison ADN-enzyme qui peut être ciblée pour modifier précisément les gènes. En utilisant CRISPR-Cas9, les chercheurs ont efficacement ciblé une famille d'environ 20 gènes connus pour relancer la production de protéines de prolamine.

Au lieu de faire taire ces gènes entièrement, ce qui conduit à une douceur impraticable, noyaux crayeux - le groupe a programmé l'outil pour désactiver partiellement la famille de gènes, une application de CRISPR-Cas9 que Holding a qualifiée de première du genre.

Encore une fois, les chercheurs ont constaté une augmentation des protéines non prolamines contenant la lysine, alors même qu'il restait suffisamment de prolamines pour maintenir la solidité des grains. À la fois, des vaisseaux microscopiques contenant ces prolamines se sont transformés en une forme plus poreuse, permettant aux enzymes digestives de pénétrer et de commencer à décomposer les protéines. Des expériences de suivi ont montré que près de deux fois plus de protéines de la farine résultante pouvaient être digérées.

Ceci étant accompli, l'équipe croise maintenant les nouvelles variétés de sorgho pour améliorer leur utilisation de l'azote essentiel à la croissance et développer d'autres caractères souhaitables. Le croisement éliminera également le gène CRISPR que l'équipe a implanté, éliminer le potentiel d'effets génétiques imprévus et rationaliser l'approbation du ministère de l'Agriculture des États-Unis.

« Nous faisons quelque chose d'innovant d'un point de vue scientifique, mais qui a également une application directe qui peut arriver sur le marché relativement rapidement, " Holding a déclaré. " Ces deux projets sont motivés par le désir d'avoir un produit commercialisable à la fin. "