Aromatic Rice Created through CRISPRCas9-Mediated BADH2 Gene Editing

Rijst is meer dan alleen een basisvoedingsmiddel; voor velen is het een canvas van smaak, textuur en herinnering. Hoewel de meeste rijstvariëteiten worden gewaardeerd om hun opbrengst of hoe goed ze koken, wordt een specifieke groep gevierd om een duidelijke, popcornachtige geur die in de lucht blijft hangen wanneer de pan wordt geopend. Dit aroma is niet louter een aangenaam extraatje; het is een bepalende kwaliteit die de marktwaarde en consumentenvoorkeur aanstuurt. Het geheim achter deze geur ligt in een klein chemisch molecuul genaamd 2-acetyl-1-pyroline. In de natuur wordt dit molecuul geproduceerd wanneer een specifiek gen binnen de rijstplant defect of niet-functioneel is. Wanneer dit gen normaal werkt, fungeert het als een fabriek die voorkomt dat de geur zich vormt. Wanneer het gen wordt uitgeschakeld, hopen de geurmoleculen zich op, waardoor een gewone korrel verandert in een geurige korrel. Decennialang hebben kwekers geprobeerd aromatische rijst te creëren door verschillende planten te kruisen en te wachten tot de juiste genetische mix zou verschijnen, een proces dat vele jaren kan duren en vaak resulteert in het verlies van andere gewenste eigenschappen zoals hoge opbrengst of ziekteresistentie.

Een team van onderzoekers in China heeft nu een ander pad gekozen, waarbij ze een precieze tool gebruiken om de genetische code van een hoogpresterende rijstvariëteit te herschrijven zonder de lange wachttijd of het verlies van kwaliteit. Ze richtten zich op een populaire, niet-aromatische rijst genaamd ChuGeng48, die al bekend staat om zijn uitstekende smaak, zachte textuur en het vermogen om te gedijen op de hooggelegen velden van Zuidwest-China. Het doel was simpel: behoud alles wat deze rijst geweldig maakt, maar voeg de ontbrekende geur toe. Om dit te doen, gebruikten ze een genbeweringssysteem dat bekend staat als CRISPR/Cas9. Denk aan dit systeem als een paar moleculaire scharen die een specifieke zin in een boek met instructies kunnen vinden en eruit kunnen knippen. In dit geval was het "boek" het DNA van de rijstplant, en de "zin" was het gen dat verantwoordelijk is voor het onderdrukken van de aroma. Door dit gen op een specifieke plek door te knippen, wilden de onderzoekers het uitschakelen, zodat de aromatische verbindingen zich op natuurlijke wijze konden ophopen.

De wetenschappers ontwierpen een gids om een specifiek deel van het aroma-onderdrukkende gen te targeten, gelegen op het derde segment van de genetische code. Ze voegden deze gids in de cellen van de rijstplant in met een veelgebruikte methode die de genetische instrumenten in de ontwikkelende embryo's van de plant brengt. Zodra de planten groeiden, onderzochten de onderzoekers hun DNA om te zien of de knip correct was uitgevoerd. Ze ontdekten dat van de initiële groep planten er enkele succesvol waren bewerkt. Sommigen hadden een klein stukje van het gen verwijderd, terwijl anderen een kleine toevoeging hadden, maar al deze veranderingen hadden hetzelfde resultaat: het gen functioneerde niet langer. De onderzoekers kweekten vervolgens de volgende generatie van deze planten en screenen deze zorgvuldig om er zeker van te zijn dat de vreemde genetische instrumenten die werden gebruikt om de knip te maken, niet langer aanwezig waren, waardoor alleen de bewerkte rijstplant zelf overbleef.

De resultaten waren duidelijk en onmiddellijk. Toen de onderzoekers de korrels van deze bewerkte planten analyseerden, ontdekten ze dat het sleutelmolecuul voor aroma, 2-acetyl-1-pyroline, nu in aanzienlijke hoeveelheden aanwezig was. In de oorspronkelijke, onbewerkte rijst was dit molecuul volledig afwezig. In de bewerkte lijnen varieerden de niveaus van ongeveer 5,8 tot 7,6 microgram per kilogram. Om dit in perspectief te plaatsen: de onderzoekers vergeleken hun nieuwe aromatische rijst met een beroemde, van nature geurige variëteit genaamd Wuchangdaohuaxiang. Hoewel de Wuchang-variëteit een hogere concentratie van dat enkele popcorngeurmolecuul had, bevatten de bewerkte ChuGeng48-korrels een veel grotere variëteit aan aromatische verbindingen. De totale hoeveelheid geurproducerende chemicaliën in de bewerkte rijst was veel hoger dan in de beroemde Wuchang-variëteit, wat wijst op een complexe en rijke smaakprofiel.

Naast de geur waren de onderzoekers zorgvuldig om te controleren of het bewerkingsproces de groei of de productie van voedsel van de plant had beschadigd. Ze maten de hoogte van de planten, het aantal korrels op elke stengel en het gewicht van de oogst. De bevindingen lieten geen verschil zien tussen de bewerkte planten en de originele, niet-aromatische versie. De bewerkte rijst groeide net zo hoog, produceerde net zoveel korrels en had dezelfde zware, volle korrels als het origineel. Dit bevestigde dat de onderzoekers erin geslaagd waren de geurige eigenschap toe te voegen zonder de hardheid of de opbrengst van de plant op te offeren. De studie identificeerde ook verschillende nieuwe aromatische verbindingen in de bewerkte korrels die niet in de oorspronkelijke rijst werden gevonden, waaronder stoffen die ruiken naar citrus, noten en bloemen, wat lagen van complexiteit aan de geur toevoegt.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om een topkwaliteit rijstvariëteit die geen geur heeft, die ontbrekende kwaliteit te geven zonder de andere sterke punten in gevaar te brengen. Door genbewerking te gebruiken om een enkel gen uit te schakelen, creëerde het team een nieuwe lijn aromatische rijst die de superieure kookkwaliteiten en hoge opbrengst van de originele ChuGeng48 behoudt. Het proces was efficiënt en produceerde planten die vrij waren van de vreemde genetische instrumenten die werden gebruikt om de verandering aan te brengen, wat een cruciale stap is voor toekomstig agrarisch gebruik. De bevindingen suggereren dat deze methode een krachtige manier kan zijn om de kwaliteit van rijst te verbeteren voor consumenten die waarde hechten aan smaak, waarbij een sneller en preciezer alternatief wordt geboden voor traditionele veredelingmethoden. Het resultaat is een graan dat het beste van twee werelden biedt: de betrouwbaarheid van een hoogopbrengstgewas en het heerlijke aroma van een premium delicatesse.