The Future of Food—CRISPR Crops That Capture Carbo- 123docz.net

Many research projects have sprung up to enhance biological carbon sequestration and thereby help restore balance to the carbon cycle and prevent further buildup of CO in . For , carbon sequestration research is being conducted at the Innovative Genomics Institute (IGI), an organization founded by Nobel laureate Jennifer A.

Doudna, PhD. In June 2022, the Chan Zuckerberg Initiative gave $11 million to the IGI to help find ways to protect or heal the ecosystem from harm caused by humans.

Bradley Ringeisen, PhD, director at the IGI, argues that we must change the way we do . ―We‘ve got to feed 2 to 3 billion more people in the next 30 years,‖ Ringeisen points out. ―We can‘t keep doing it with the carbon footprint that has right now. We‘re talking about generations, and we have to do this for the planet. And there‘s a lot of in agriculture for carbon capture. Since the start of modern agriculture 125 years ago, has lost hundreds of gigatons of carbon.

But crops can be used to help add carbon back into the soil via engineered plants.‖

The IGI has started with rice as the model organism. ―If we succeed in rice, there are going to be homologues in other grass varieties,‖

Ringeisen predicts.

Có một sự thúc đẩy để s dụng CRISPR để tạo ra nông nghiệp hút (CO2) ra khỏi không khí và lưu trữ nó tốt hơn trong môi trường . Với sự trợ giúp của CRISPR, các nhà khoa học đang tạo ra các giống cây trồng được chỉnh s a gen có khả năng lưu trữ carbon tốt hơn và không có các đặc điểm của sinh vật biến đổi gen (GMO) được tạo ra bằng gen chuyển.

Nhiều dự án nghiên cứu đã ra đời để tăng cường quá trình cô lập carbon sinh học và do đó giúp khôi phục lại sự cân bằng cho chu trình carbon và ngăn chặn sự tích tụ thêm CO trong . Đối với , nghiên cứu cô lập carbon đang được tiến hành tại Viện Genomics Sáng tạo (IGI), một tổ chức được thành lập bởi Tiến sĩ, người đoạt giải Nobel, Jennifer A. Doudna. Vào tháng 6 năm 2022, Sáng kiến Chan Zuckerberg đã trao 11 triệu đô la cho IGI để giúp tìm cách bảo vệ hoặc chữa lành hệ sinh thái khỏi tác hại do con người gây ra.

Bradley Ringeisen, Tiến sĩ, Giám đốc IGI, lập luận rằng chúng ta phải thay đổi cách chúng ta làm. Ringeisen chỉ ra: ―Chúng ta phải nuôi thêm 2 đến 3 tỷ người trong 30 năm tới. ―Chúng tôi không thể tiếp tục làm điều đó với lượng khí thải carbon hiện có. Chúng ta đang nói về các thế hệ và chúng ta phải làm điều này cho hành tinh này.

Và có rất nhiều trong nông nghiệp để thu hồi carbon. Kể từ khi bắt đầu nền nông nghiệp hiện đại cách đây 125 năm, đã mất hàng trăm tỷ tấn carbon. Nhưng cây trồng có thể được s dụng để giúp bổ sung carbon trở lại vào đất thông qua các cây trồng đã được thiết kế.‖

IGI đã bắt đầu với cây lúa là sinh vật mẫu. Ringeisen dự đoán: ―Nếu chúng ta thành công với lúa gạo, sẽ có sự tương đồng ở các giống cỏ khác.

Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd.vT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.LjvT.Bg.Jy.Lj.dtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn

―Simultaneously, we‘re working to try to improve the genetic tractability of sorghum, a really deep-rooted crop that can be used for carbon capture and grain for livestock feed. It‘s also a bioenergy crop, so you can imagine converting some of the above-ground biomass into bio-oils or other forms of bioenergy as well. We really see this potentially blooming out into a lot of different areas to really have global impact.‖

―Đồng thời, chúng tôi đang cố gắng cải thiện tính di truyền của lúa miến, một loại cây trồng có bộ rễ ăn sâu thực sự có thể được s dụng để thu hồi carbon và ngũ cốc làm thức ăn chăn nuôi. Nó cũng là một loại cây trồng năng lượng sinh học, vì vậy bạn có thể tưởng tượng việc chuyển đổi một số sinh khối trên mặt đất thành dầu sinh học hoặc các dạng năng lượng sinh học khác. Chúng tôi thực sự thấy điều này có khả năng lan rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau để thực sự có tác động toàn cầu.‖

Championing carbon flow

The IGI has designed a program that looks at every single possible touchpoint along the carbon cycle in agriculture. ―Right now, farmers and genetic engineers aren‘t thinking about this holistically as a carbon cycle,‖ Ringeisen observes. ―How do we increase yield? How do we protect rice from a specific pathogen? People are taking little bites, but they‘re not looking holistically at the entire process. The IGI is trying to look at essentially every single step.‖

Photosynthesis

The first step is to use genetic engineering or CRISPR to change the process of photosynthesis. Ringeisen says that if you‘re going to do carbon capture with biology focused on agriculture, photosynthesis is the way to go because of the increased crop yields and biomass above and below ground. ―We‘re counting on enhancing photosynthesis so that if we partition off a greater extent of things going down into the roots or going down deeper into the soil, we aren‘t going to be reducing the yields,‖ Ringeisen explains. ―If anything, we hope to increase the yields, but that all starts with photosynthesis.‖

The IGI team is looking into a number of photosynthetic genes that can be put into groups based on how they respond to light and darkness. Krishna K. Niyogi, PhD, a professor of plant and microbial biology at UC Berkeley and an investigator for the Howard Hughes Medical Institute (HHMI), has found a number of genes that could be used to improve photosynthesis. He is known for his work on stopping the mechanism that shuts down photosynthesis to keep light reactions going longer.

Vô địch dòng chảy carbon

IGI đã thiết kế một chương trình xem xét mọi điểm tiếp xúc có thể có trong chu trình carbon trong nông nghiệp. Ringeisen nhận xét: ―Ngay bây giờ, nông dân và kỹ sư di truyền không nghĩ về điều này một cách tổng thể như một chu trình carbon. ―Làm thế nào để chúng ta tăng sản lượng? Làm thế nào để chúng ta bảo vệ gạo khỏi một mầm bệnh cụ thể? Mọi người đang cắn từng miếng nhỏ, nhưng họ không nhìn vào toàn bộ quá trình một cách tổng thể. IGI đang cố gắng xem xét từng bước cơ bản.‖

Quang hợp

Bước đầu tiên là s dụng kỹ thuật di truyền hoặc CRISPR để thay đổi quá trình quang hợp. Ringeisen nói rằng nếu bạn đ nh thu hồi carbon bằng sinh học tập trung vào nông nghiệp, thì quang hợp là cách tốt nhất vì năng suất cây trồng và sinh khối trên và dưới mặt đất tăng lên. Ringeisen giải thích: ―Chúng tôi đang tính đến việc tăng cường quang hợp để nếu chúng tôi phân chia được nhiều thứ hơn đi xuống rễ hoặc đi sâu hơn vào đất, chúng tôi sẽ không làm giảm sản lượng.

―Nếu có bất cứ điều gì, chúng tôi hy vọng sẽ tăng năng suất, nhưng tất cả đều bắt đầu từ quá trình quang hợp.‖

Nhóm IGI đang xem xét một số gen quang hợp có thể được xếp vào các nhóm dựa trên cách chúng phản ứng với ánh sáng và bóng tối.

Krishna K. Niyogi, Tiến sĩ, giáo sư sinh học thực vật và vi sinh vật tại UC Berkeley và là điều tra viên của Viện Y khoa Howard Hughes (HHMI), đã tìm thấy một số gen có thể được s dụng để cải thiện quá trình quang hợp. Ông được biết đến với công trình ngăn chặn cơ chế tắt quá trình quang hợp để giữ cho các phản ứng ánh sáng diễn ra lâu hơn.

But attempts to use CRISPR to genetically engineer plants haven‘t succeeded. David Savage, PhD, an HHMI investigator and associate professor of molecular and cell biology at UC Berkeley, told GEN that plants are difficult to target with the CRISPR-Cas9 system because they are highly evolutionarily divergent in ploidy and difficult to culture in tissue form. For example, as Savage notes, CRISPR-Cas9 makes it possible to make ―knock out‖ mice in just a few months, whereas the corresponding experiment on plants would take years.

Savage wants to enhance plant delivery and create extremely effective editors. To do so, Savage has devised a high-throughput screening platform that gets down to protoplasts—plant cells without cell walls that are totipotent, sensitive, and versatile. With this screening platform, there is no need to wait through entire plant life cycles, from seedlings to adult plants, to be able to ask whether a genetic modification–based approach worked or whether a gene was a good target. Savage believes that the platform approach could improve photosynthesis by 30 to 50%.

Nhưng những nỗ lực s dụng CRISPR để biến đổi gen cây trồng đã không thành công. David Savage, Tiến sĩ, nhà điều tra HHMI và phó giáo sư sinh học phân t và tế bào tại UC Berkeley, nói với GEN rằng hệ thống CRISPR-Cas9 rất khó nhắm mục tiêu thực vật vì chúng rất khác biệt về mặt tiến hóa ở dạng thể dẻo và khó nuôi cấy ở dạng mô. Ví dụ, như Savage lưu ý, CRISPR-Cas9 có thể tạo ra những con chuột ―hạ gục‖ chỉ trong vài tháng, trong khi thí nghiệm tương ứng trên thực vật sẽ mất nhiều năm.

Savage muốn tăng cường phân phối thực vật và tạo các trình chỉnh s a cực kỳ hiệu quả. Để làm như vậy, Savage đã phát minh ra một nền tảng sàng lọc thông lượng cao đi xuống các nguyên sinh chất—tế bào thực vật không có thành tế bào là toàn năng, nhạy cảm và linh hoạt. Với nền tảng sàng lọc này, không cần phải đợi trong toàn bộ vòng đời của cây, từ cây con đến cây trưởng thành, để có thể đặt câu hỏi liệu phương pháp tiếp cận dựa trên biến đổi gen có hiệu quả hay liệu một gen có phải là mục tiêu tốt hay không. Savage tin rằng phương pháp nền tảng có thể cải thiện quá trình quang hợp từ 30 đến 50%.

Root depth

All of this sequestered carbon has to go somewhere, and that‘s what the second step is about: plant carbon flow. The additional sequestered carbon that doesn‘t go into the above-ground crop yield mostly goes into the below-ground biomass, into the roots, and out through the root exudates (secretions) to the soil. More than 40% of the root‘s dry mass is made up of pure carbon, making root mass an essential attribute.

The IGI is focusing on how to enhance the depth of the roots because the deeper you pump carbon into the ground, the greater the likelihood the carbon will stay in the soil. According to Ringeisen, the first few centimeters of soil are where a lot of the carbon turnover occurs. But if the carbon gets into the roots below that till layer, then there‘s a much higher probability of the carbon staying there for longer periods of time.

Brian Staskawicz, PhD, director of sustainable agriculture at the IGI, is partnering with Pamela Ronald, PhD, distinguished professor of plant pathology at UC Davis, to create rice and grass roots that are deeper—at least 30 or 40% deeper than what they are with high-yield varieties.

Ronald created a library of thousands of rice mutants by effectively knocking out every gene, which Ringeisen believes will turn out to be a gold mine of information. Ringeisen says that this research initiative has already identified a few variants that are showing a lot of promise.

―[Ronald] has found a couple of different genes and ways to affect root depth, but that is the tip of the iceberg,‖ Ringeisen stresses. ―If she focuses on root architectures in that library, there will be a huge amount of discovery. We will focus early on these mechanisms that she has already found. There will be a lot of potential discovery in that mutant library from her moving forward.‖ The goal is to work with those variants and identify other genes and processes to extend the roots even deeper to conduct field trials.

Độ sâu của rễ

Tất cả lượng carbon cô lập này phải đi đâu đó, và đó là nội dung của bước thứ hai: dòng carbon thực vật. Lượng carbon cô lập bổ sung không đi vào năng suất cây trồng trên mặt đất chủ yếu đi vào sinh khối dưới mặt đất, vào rễ và thoát ra ngoài qua các chất tiết ra từ rễ (d ch tiết) vào đất. Hơn 40% khối lượng khô của rễ được tạo thành từ carbon nguyên chất, làm cho khối lượng rễ trở thành một thuộc tính thiết yếu.

IGI đang tập trung vào cách tăng cường độ sâu của rễ vì bạn bơm carbon vào lòng đất càng sâu thì khả năng carbon tồn tại trong đất càng cao. Theo Ringeisen, vài centimet đất đầu tiên là nơi diễn ra rất nhiều quá trình luân chuyển carbon. Nhưng nếu carbon xâm nhập vào rễ bên dưới lớp cho đến đó, thì khả năng carbon sẽ ở đó trong thời gian dài hơn là rất cao.

Brian Staskawicz, Tiến sĩ, giám đốc nông nghiệp bền vững tại IGI, đang hợp tác với Pamela Ronald, Tiến sĩ, giáo sư nổi tiếng về bệnh học thực vật tại UC Davis, để tạo ra rễ lúa và cỏ sâu hơn—sâu hơn ít nhất 30 hoặc 40% so với những gì họ với các giống năng suất cao. Ronald đã tạo ra một thư viện gồm hàng nghìn cây lúa đột biến bằng cách loại bỏ mọi gen một cách hiệu quả, mà Ringeisen tin rằng nó sẽ trở thành một mỏ vàng thông tin. Ringeisen nói rằng sáng kiến nghiên cứu này đã xác đ nh được một vài biến thể đang cho thấy nhiều hứa h n.

Ringeisen nhấn mạnh: ―[Ronald] đã tìm ra một số gen và cách khác nhau để ảnh hưởng đến độ sâu của rễ, nhưng đó chỉ là phần nổi của tảng băng trôi. ―Nếu cô ấy tập trung vào gốc rễ kiến trúc trong thư viện đó, sẽ có rất nhiều khám phá. Chúng tôi sẽ sớm tập trung vào những cơ chế mà cô ấy đã tìm ra. Sẽ có rất nhiều khám phá tiềm năng trong thư viện d nhân đó từ cô ấy trong tương lai. Mục tiêu là làm việc với các biến thể đó và xác đ nh các gen và quy trình khác để mở rộng rễ sâu hơn nữa để tiến hành th nghiệm thực đ a

Soil microbiome

The third step deals with capturing the carbon that leaves the roots to look at how the carbon flow into the soil works. ―We‘re trying to understand what kinds of keystone mechanisms are at play between the rice, its secretions, and the rice microbiome,‖ Ringeisen says. ―How do we engineer that system? Is there a role for CRISPR in engineering the plant? Is there a role for CRISPR to potentially directly engineer the microbes? Or is it potentially just how you feed the microbiome and how you sort of farm the microbiome to promote the organisms that you want?‖

Jillian Banfield, PhD, a soil microbiologist at UC Berkeley who famously introduced Doudna to CRISPR in 2005, is trying to reconstruct the genomes of the organisms that are actively taking out the carbon that the plant is making. Her team‘s study of the rice paddy microbiome is probably its most in-depth work, and Banfield will use it to look into ways to reduce soil emissions. ―If you can reduce the emissions, that means you are probably shutting down the escape of greenhouse gases and maybe building up more carbon in the soil as well,‖ Ringeisen suggests.

Jennifer Pett-Ridge, PhD, a staff scientist at Lawrence Livermore National Laboratory, works with Banfield. Pett-Ridge is in charge of tracking the organisms of microbial communities and determining how they may stay in the soil for longer periods of time. Her story is one of sticky molecules that help the carbon adhere to the inorganic and mineral deposits in the soil. She thinks that the trophic interactions in the rhizosphere, the underground zone within the influence of the roots, are what create the precursor for some of the carbon to be absorbed onto mineral surfaces and caught up in little aggregates. She also studies processes involving extracellular polysaccharides and extracellular polymeric substances, which tend to be enriched in soils where carbon is increasing.

Hệ vi sinh vật đất

Bước thứ ba liên quan đến việc thu giữ carbon rời khỏi rễ để xem xét cách thức hoạt động của dòng carbon vào đất. Ringeisen nói: ―Chúng tôi đang cố gắng hiểu những loại cơ chế then chốt nào đang diễn ra giữa cây lúa, chất bài tiết của nó và hệ vi sinh vật của cây lúa. ―Làm thế nào để chúng tôi thiết kế hệ thống đó? CRISPR có vai trò gì trong việc thiết kế nhà máy không? CRISPR có vai trò gì trong việc trực tiếp thiết kế vi khuẩn không? Hay đó chỉ là cách bạn nuôi hệ vi sinh vật và cách bạn sắp xếp trang trại hệ vi sinh vật để thúc đẩy các sinh vật mà bạn muốn?‖

Tiến sĩ Jillian Banfield, một nhà vi trùng học đất tại UC Berkeley, người đã giới thiệu Doudna với CRISPR một cách nổi tiếng vào năm 2005, đang cố gắng tái tạo lại bộ gen của các sinh vật đang tích cực lấy carbon mà thực vật đang tạo ra. Nghiên cứu về hệ vi sinh vật trên lúa của nhóm cô ấy có lẽ là nghiên cứu chuyên sâu nhất và Banfield sẽ s dụng nó để tìm cách giảm lượng khí thải từ đất. Ringeisen gợi ý: ―Nếu bạn có thể giảm lượng khí thải, điều đó có nghĩa là bạn có thể đang ngăn chặn sự thoát khí nhà kính và có thể tích tụ nhiều carbon hơn trong đất.

Jennifer Pett-Ridge, Tiến sĩ, một nhà khoa học nhân viên tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, làm việc với Banfield. Pett- Ridge ch u trách nhiệm theo dõi các sinh vật của cộng đồng vi sinh vật và xác đ nh cách chúng có thể tồn tại trong đất trong thời gian dài hơn.

Câu chuyện của cô ấy là một trong những phân t dính giúp carbon bám vào các chất vô cơ và khoáng chất trong đất. Cô ấy nghĩ rằng các tương tác dinh dưỡng trong vùng rễ, khu vực ngầm dưới ảnh hưởng của rễ, là thứ tạo ra tiền chất cho một số carbon được hấp thụ vào.

bề mặt khoáng chất và b cuốn vào các tập hợp nhỏ. Cô cũng nghiên cứu các quá trình liên quan đến polysaccharid ngoại bào và các chất cao phân t ngoại bào, những chất này có xu hướng được làm giàu trong đất

nơi lượng carbon đang tăng lên.

The Future of Food—CRISPR Crops That Capture Carbon

Application of animal cell culture review

Understanding How COVID-19 Vaccines Work