Två kärnor av samma idé – att odla proteinkvalitet i spannmål – håller på att mogna vid University of Nebraska–Lincoln.

Kvaliteten på protein hamnar ofta i skuggan mitt i rampljuset på dess kvantitet. Men den egenskapen – närvaron eller frånvaron av aminosyror som är viktiga för människors och boskaps dieter – upptar tankarna hos Nebraskas David Holding.

Holding och hans kollegor på Beadle Center har arbetat i flera år för att höja nivåerna av en livsviktig aminosyra, lysin, det är ont om proteinet i flera spannmålskorn. Genom att anta olika tillvägagångssätt – en traditionell, den andra framväxande – teamet har nu lyckats ungefär fördubbla lysinhalten i både popcorn och sorghum.

Högre lysin kan tillföra ekonomiskt värde och bredda popcorns attraktionskraft, forskarna sa, samtidigt som det förbättrar näringsvärdet hos biofavoriten. Att öka lysin i sorghum bör göra den torkatåliga grödan till en mer komplett näringskälla i utvecklingsvärlden, där det ibland rankas som en dietbas, och för boskap i USA.

Springer ut bucklan

Dent majs, en världsomspännande gröda och signaturvarianten i Mellanvästern, har brist på lysin. Men på 1990-talet Forskare odlade framgångsrikt upp en genvariant som kallas opaque-2 till bucklig majs. För att sänka produktionen av normalt dominerande prolaminproteiner, opaque-2 möjliggjorde en ökning av icke-prolaminer, de som innehåller lysin och en annan essentiell aminosyra, tryptofan. Den resulterande sorten - Kvalitet-Protein Majs, eller QPM – har sedan dess hjälpt till att bekämpa undernäring i många utvecklingsländer.

Med stöd av Conagra Foods, Holding bestämde sig för att prova samma sak i popcorn.

"Det visar sig att det är riktigt svårt att göra, sa Holding, docent i agronomi och trädgårdsodling.

Problemet var på en gång enkelt och komplext:Popcorn som innehåller opaque-2 skulle inte poppa. Och det problemet kom från vad som finns i dess namn:Opaque-2 tenderar att göra popcorn normalt hårda, glasartade kärnor till mjukare, kritformar som är resistenta mot ploppning.

Agronomer hade tidigare lyckats föda fram den oönskade egenskapen ur QPM dent majs, som annars var mer mottaglig för skadedjur och skördeskador. Men de gjorde det mestadels utan att veta vilka gener som hjälpte till att återställa kärnornas glasiga konsistens.

Holding hade ägnat mycket tid åt att identifiera delar av majsgenomet som var ansvariga för att återställa den glasigheten. Så han gav sig i kast med att korsa flera generationer av QPM dent corn med popcornvarianter som misstänks innehålla de återställande generna.

Resultatet? Popcorn med hög lysin som poppar nästan lika bra som originalsorten.

"När det här projektet startade, Jag var inte säker på att vi kunde uppnå det, med tanke på att människor inte hade varit särskilt framgångsrika med att överföra fördelaktiga egenskaper från bucklig majs till popcorn tidigare, " sa Holding. "Vi är de första att ta dent QPM-sorten och framgångsrikt omvandla den till popcorn, uppnå högt lysin och bibehålla popping.

"Det här är en produkt som lämpar sig för ekologisk produktion och kan marknadsföras som en ny popcornsort, eftersom konsumenterna ägnar mer uppmärksamhet åt sina livsmedels näringsvärde. För popcornuppfödning i allmänhet, detta visar också potentialen för att bryta andra egenskaper från dentmajs till popcorn för att förbättra grödans agronomiska prestanda."

Bygger på det arbete som nyligen doktorand Ying Ren, doktoranden Leandra Marshall korsar nu flera linjer av höglysinpopcorn för att främja starkare, hybrider med högre avkastning lämpade för fältet. Sekvensering av genomen för dessa linjer kan också göra det möjligt för teamet att fastställa exakt vilka gener som återställde kärnornas strukturella integritet, Hon sa.

Bryt ner det

Tillsammans med sin egen lysinbrist, sorghumproteiner har ett relaterat problem:människor och vissa boskap kämpar för att smälta dem, ett problem som bara blir värre när de är kokta.

För att ta itu med båda frågorna, Holdings team vände sig till det revolutionerande biologiska verktyget känt som CRISPR-Cas9, en DNA-enzymkombination som kan riktas mot att exakt redigera gener. Med CRISPR-Cas9, forskarna riktade sig effektivt mot en familj på cirka 20 gener som är kända för att kickstarta produktionen av prolaminproteiner.

Istället för att tysta dessa gener helt – vilket leder till opraktiskt mjuka, kritiga kärnor – gruppen programmerade verktyget för att delvis inaktivera genfamiljen, en applikation av CRISPR-Cas9 som Holding kallade den första i sitt slag.

Ännu en gång, forskarna såg en ökning av de lysininnehållande icke-prolaminproteinerna, även när tillräckligt med prolaminer återstod för att behålla kärnornas soliditet. På samma gång, mikroskopiska kärl som innehåller de prolaminer som förvandlats till en mer porös form, tillåta matsmältningsenzymer att tränga in och börja bryta ner proteinerna. Uppföljande experiment visade att nästan dubbelt så mycket av det resulterande mjölets protein kunde smältas.

Med det gjort, teamet korsar nu de nya sorghumsorterna för att förbättra deras användning av tillväxtnödigt kväve och bygga upp andra önskvärda egenskaper. Korsningen kommer också att ta bort CRISPR-genen som teamet implanterade, eliminera risken för oförutsedda genetiska effekter och effektivisera godkännandet från det amerikanska jordbruksdepartementet.

"Vi gör något som är innovativt ur ett vetenskapligt perspektiv men som också har en direkt tillämpning som kan komma ut på marknaden relativt snabbt, " Holding sa. "Båda dessa projekt drivs av önskan att ha en säljbar produkt i slutet."