Zürich-Reckenholz, Switzerland
February 15, 2024
Agroscope has been granted approval by the Federal Office for the Environment for a field trial with spring barley. The focus is on a barley gene that has been disabled by new breeding techniques. The trial, which will be launched in spring 2024 on the Protected Site in Zurich-Reckenholz and will run for three years, aims to determine whether yields can be increased in this manner.
The CKX2 gene is involved in the regulation of seed formation. Disabling this gene by means of a new breeding methods (CRISPR/Cas9 genome editing) brings about increased yields in rice and oilseed rape (see, below, ‘From rice to barley’).
International collaboration
Researchers from Freie Universität Berlin have observed that barley possess two slightly different copies of this gene. In partnership with scientists from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), they produced barley lines where both copies were disabled. These lines developed more grains per spike in the greenhouse. Together with Freie Universität Berlin, Agroscope is now investigating these barley plants on the Protected Site to answer the following questions, among others:
- Do the plants also produce more grains per spike under field conditions, and does this result in higher yields?
- Do both copies of the gene need be disabled, or is knocking out one sufficient?
- Does disabling one or both copies of the gene modify other characteristics besides yield under field conditions?
No foreign DNA
Researchers disabled either one or both copies of the CKX2 gene in various barley lines using the precise CRISPR/Cas9 technique. Unlike the plants previously studied on the Protected Site, the barley lines produced in this manner contained no foreign DNA. Although such an alteration could also occur via random natural mutation, these barley lines are treated as genetically modified plants (GMPs), since a novel technique is being applied that modifies the plant genome – hence the field trial’s need for the authorisation of the Federal Office for the Environment.
Trials from spring 2024 onwards
The field trial will begin in spring 2024 on the Protected Site at Agroscope Zurich-Reckenholz and will run for around three years. For practical reasons, research is being conducted with the old malting barley variety ‘Golden Promise’, which is not cultivated in Switzerland. This variety is comparatively easy to genetically modify, and is thus often used in research. However, the knowledge gleaned from the trials will also be applicable to modern varieties of barley, and, with good prospects of success, to additional cereal species such as wheat or spelt.
Discussions on regulation are ongoing
The regulation of plants from new breeding techniques such as CRISPR/Cas9 is currently being discussed in various countries. According to a first ruling of the EU Parliament last week, plants which could also arise by chance in nature (without foreign DNA) are to be less strictly regulated in future. The Swiss Federal Council is expected to submit proposals as to how it envisages the future authorisation scheme for such GMPs in mid-2024.
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From rice to barley
Crop yield formation is complex and involves many different genes. However, Japanese researchers have discovered that the mutation of the CKX2 gene in rice has an unexpectedly significant effect on yield. Results were so convincing that they are now used in rice breeding.
Research results show that genes corresponding to the CKX2 gene from rice also play a role e.g. in oilseed-rape yield formation. Therefore, it is reasonable to study this effect in further crops. In the best-case scenario, at the end of these trials on the Protected Site it will be possible to issue a recommendation as to whether breeders should disable one or both CKX2 genes in order to boost yields. What is certain, however, is that important information will be provided on the function of the CKX2 genes in barley – and hence further pieces of the puzzle will be available for a better understanding of yield formation.
Erster Schweizer Feldversuch mit Gerste, die mittels CRISPR/Cas9 verändert wurde
Agroscope hat vom Bundesamt für Umwelt die Bewilligung für einen Feldversuch mit Sommergerste erhalten. Im Fokus steht ein Gersten-Gen, das mittels neuer Züchtungsverfahren ausgeschaltet wurde. Der Versuch soll zeigen, ob so der Ertrag gesteigert werden kann. Er startet im Frühling 2024 auf der Protected Site in Zürich-Reckenholz und dauert drei Jahre.
Das Gen CKX2 ist an der Regulation der Samenbildung beteiligt. Ein Ausschalten dieses Gens mit neuen Züchtungsverfahren (Genomeditierung mittels CRISPR/Cas9) bewirkt in Reis und Raps eine Ertragssteigerung (siehe unten «Vom Reis zur Gerste»).
Internationale Zusammenarbeit
Forschende der Freien Universität Berlin haben festgestellt, dass Gerste zwei leicht unterschiedliche Kopien dieses Gens besitzt. Gerstenlinien, denen sie in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) beide Kopien funktionsunfähig machten, bildeten im Gewächshaus mehr Körner pro Ähre. Agroscope untersucht nun zusammen mit der Freien Universität Berlin diese Gerstenpflanzen auf der Protected Site, um unter anderem folgende Fragen zu beantworten:
- Produzieren die Pflanzen auch unter Feldbedingungen mehr Körner pro Ähre und resultiert daraus ein höherer Ertrag?
- Müssen beide Gen-Kopien ausgeschaltet werden oder reicht eine?
- Verändert das Ausschalten einer oder beider Gen-Kopien noch weitere Eigenschaften im Feld als nur den Ertrag?
Kein fremdes Erbgut
Die Forschenden haben verschiedenen Gerstenpflanzen mit dem präzisen CRISPR/Cas9-Verfahren je eine oder beide Kopien des CKX2-Gens ausgeschaltet. Im Unterschied zu den bisher auf der Protected Site untersuchten Pflanzen enthalten diese so hergestellten Gerstenlinien kein fremdes Erbgut. Obwohl eine solche Veränderung auch durch zufällige, natürliche Mutation entstehen könnte, werden diese Gersten als gentechnisch veränderte Pflanzen (GVP) behandelt. Dies, weil das angewandte Verfahren neu ist und ins Pflanzengenom eingreift. Daher brauchte der Feldversuch eine Bewilligung des Bundesamts für Umwelt.
Versuche ab Frühling 2024
Der Feldversuch beginnt im Frühling 2024 auf der Protected Site bei Agroscope in Zürich-Reckenholz und dauert rund drei Jahre. Aus praktischen Gründen wird mit der alten Braugerstensorte «Golden Promise» geforscht, die in der Schweiz nicht angebaut wird. Diese Sorte lässt sich vergleichsweise einfach genetisch verändern und wird deshalb oft in der Forschung verwendet. Das gewonnene Wissen kann aber auch bei modernen Gerstensorten und mit guten Erfolgsaussichten auch bei weiteren Getreidearten wie Weizen oder Dinkel angewendet werden.
Diskussionen über Regulierung laufen
Die Regulierung von Pflanzen aus neuen Züchtungsverfahren wie CRISPR/Cas9 wird derzeit in verschiedenen Ländern diskutiert. Gemäss einem ersten Entscheid des EU-Parlaments letzte Woche sollen solche Pflanzen, die auch zufällig in der Natur entstehen könnten (ohne fremdes Erbgut), künftig weniger streng reguliert werden. Der Bundesrat wird voraussichtlich Mitte 2024 Vorschläge machen, wie er die Zulassungsregelung solcher GVP in der Schweiz in Zukunft vorsieht.
Vom Reis zur Gerste
Die Ertragsbildung von Nutzpflanzen ist komplex und es sind viele verschiedene Gene daran beteiligt. Japanische Forschende haben jedoch bei Reis herausgefunden, dass die Mutation des CKX2-Gens einen unerwartet grossen Effekt auf den Ertrag hat. Die Ergebnisse waren so überzeugend, dass sie heute in der Reiszüchtung angewandt werden.
Forschungsergebnisse zeigen, dass Gene, die mit CKX2 aus Reis verwandt sind, beispielsweise auch bei Raps für die Ertragsbildung eine Rolle spielen. Es liegt daher nahe, diesen Effekt in weiteren Nutzpflanzen zu untersuchen. Im besten Fall kann am Ende dieser Versuche auf der Protected Site eine Empfehlung abgegeben werden, ob Züchter/innen eines oder beide CKX2-Gene ausschalten sollen, um den Ertrag zu steigern. Sicher aber werden wichtige Informationen zur Funktion der CKX2-Gene in Gerste geliefert – und somit weitere Puzzleteile für ein besseres Verständnis der Ertragsbildung.
Premier essai en plein champ en Suisse avec de l'orge modifiée au moyen de CRISPR/Cas9
Agroscope a reçu de l'Office fédéral de l'environnement l'autorisation de mener un essai en plein champ avec de l'orge de printemps. Cet essai portera sur un gène de l’orge qui a été désactivé au moyen de nouvelles techniques de sélection. L’essai doit montrer si le rendement peut être augmenté de cette manière. Il débutera au printemps 2024 sur le site protégé (Protected Site) d’Agroscope à Zurich-Reckenholz et durera trois ans.
Le gène CKX2 est impliqué dans la régulation de la formation des graines. L'inactivation de ce gène au moyen de nouvelles méthodes de sélection (édition du génome par CRISPR/Cas9) permet d'augmenter le rendement du riz et du colza (voir ci-dessous «Du riz à l'orge»).
Collaboration internationale
Des chercheuses et chercheurs de la Freie Universität Berlin ont constaté que l'orge possède deux copies légèrement différentes de ce gène. Les lignées d'orge dont ils ont désactivé les deux copies, en collaboration avec des scientifiques du Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), ont produit en serre davantage de graines par épi. Agroscope entend étudier ces plants d'orge sur son site protégé, en collaboration avec la Freie Universität Berlin, afin de répondre entre autres aux questions suivantes:
- Les plantes produisent-elles également davantage de graines par épi dans les conditions d’un essai en plein champ et en résulte-t-il un rendement plus élevé?
- Les deux copies du gène doivent-elles être désactivées ou suffit-il d’en désactiver une seule?
- La désactivation d'une ou des deux copies du gène modifie-t-elle d'autres caractéristiques en plein champ que le seul rendement?
Pas de matériel génétique étranger
Les chercheuses et chercheurs ont désactivé une ou les deux copies du gène CKX2 de différentes plantes d'orge au moyen du procédé CRISPR/Cas9. Contrairement aux plantes étudiées jusqu'à présent sur le site protégé d’Agroscope, ces lignées d'orge ainsi produites ne contiennent pas de matériel génétique étranger. Bien qu'une telle modification puisse également résulter d'une mutation naturelle fortuite, ces orges sont traitées comme des plantes génétiquement modifiées (PGM), car le procédé utilisé est nouveau et qu'il intervient dans le génome de la plante. C'est la raison pour laquelle l'essai en plein champ a nécessité une autorisation de l'Office fédéral de l'environnement.
Essais à partir du printemps 2024
L'essai en plein champ débutera au printemps 2024 sur le site protégé d'Agroscope à Zurich-Reckenholz et durera trois ans. Pour des raisons pratiques, la recherche est réalisée avec une ancienne variété d'orge de brasserie, la «Golden Promise», qui n'est pas cultivée en Suisse. Cette variété est relativement facile à modifier génétiquement et sera donc souvent utilisée dans la recherche. Les connaissances acquises pourront aussi être exploitées pour les variétés d'orge modernes et, avec de bonnes chances de succès, pour d'autres céréales comme le blé ou l'épeautre.
Discussions en cours sur la réglementation
La réglementation des plantes issues de nouvelles méthodes de sélection comme CRISPR/Cas9 fait actuellement l'objet de discussions dans différents pays. Selon une première décision prise la semaine dernière par le Parlement européen, de telles plantes, qui pourraient également être créées fortuitement dans la nature (sans patrimoine génétique étranger), devraient à l'avenir être réglementées de manière moins stricte. Le Conseil fédéral fera probablement, au deuxième semestre 2024, des propositions sur la manière dont il envisage de réglementer à l'avenir l'autorisation de telles PGM en Suisse.
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Du riz à l’orge
La formation de rendement des plantes cultivées est complexe et de nombreux gènes différents y sont impliqués. Des scientifiques japonais ont toutefois découvert que, dans le riz, la mutation du gène CKX2 a un effet inattendu important sur le rendement. Les résultats obtenus ont été si convaincants qu'ils sont aujourd'hui appliqués dans la sélection du riz.
Les résultats de la recherche montrent que des gènes apparentés au CKX2 du riz jouent également un rôle dans le rendement du colza par exemple. Il est donc logique d'étudier si cet effet se produit aussi dans d'autres plantes cultivées. Dans le meilleur des cas, il sera possible, à l'issue de l’essai sur le site protégé, de recommander aux obtentrices et obtenteurs la désactivation d’un ou des deux gènes CKX2 pour augmenter le rendement. Ce qui est certain, c'est que cet essai fournira des informations importantes sur la fonction des gènes CKX2 dans l'orge - et donc des pièces supplémentaires du puzzle pour une meilleure compréhension de la formation de rendement.
Primo esperimento svizzero in campo aperto con l’orzo, modificato con la tecnica CRISPR/Cas9
Agroscope ha ottenuto dall’Ufficio federale dell’ambiente l’autorizzazione a procedere a un esperimento in campo aperto con l’orzo primaverile. L’esperimento, incentrato su un gene dell’orzo disattivato mediante una nuova tecnica di selezione, intende dimostrare se questo metodo consentirà di aumentare la resa. L’esperimento inizierà nella primavera del 2024 nel sito protetto di Reckenholz (Zurigo) e durerà tre anni.
Il gene CKX2 è coinvolto nella regolazione della formazione dei semi. La disattivazione di questo gene con la nuova tecnica di selezione (editing del genoma mediante CRISPR/Cas9) aumenta la resa in riso e colza (v. di seguito «Dal riso all’orzo»).
Cooperazione internazionale
I ricercatori della Freie Universität Berlin hanno scoperto che nell’orzo sono presenti due copie leggermente diverse di questo gene. In serra le linee di orzo, in cui le due copie sono state rese non funzionali in collaborazione con gli scienziati del Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), hanno prodotto un maggior numero di chicchi per spiga. Agroscope, insieme ai ricercatori della Freie Universität Berlin, studia ora queste piante di orzo nel sito protetto per rispondere, tra l’altro, alle seguenti domande:
- Le piante producono un maggior numero di chicchi per spiga anche in campo aperto e questo si traduce in una maggiore resa?
- Devono essere disattivate entrambe le copie di geni o una è sufficiente?
- La disattivazione di una o di entrambe le copie di geni modifica altre proprietà in campo aperto oltre alla resa?
Nessun materiale genetico estraneo
I ricercatori hanno disattivato una o entrambe le copie del gene CKX2 di diverse piante di orzo con il sistema di precisione CRISPR/Cas9. A differenza delle piante sinora oggetto di studio nel sito protetto, le linee di orzo così prodotte non contengono materiale genetico estraneo. Sebbene la mutazione possa derivare anche da un processo casuale e naturale, queste piante di orzo sono trattate come geneticamente modificate (PGM), poiché il metodo utilizzato è nuovo e interviene sul genoma della pianta. Per tale motivo l’esperimento in campo aperto deve essere autorizzato dall’Ufficio federale dell’ambiente.
Test a partire dalla primavera 2024
L’esperimento in campo aperto parte nella primavera del 2024 nel sito protetto di Reckenholz (Zurigo) di Agroscope e durerà circa tre anni. Per motivi pratici, la ricerca è condotta con la vecchia varietà di orzo da malto «Golden Promise», che non viene coltivata in Svizzera. È spesso utilizzata nella ricerca poiché è piuttosto facile modificarla geneticamente, tuttavia le conoscenze acquisite possono essere applicate a moderne varietà di orzo e, con buone prospettive di successo, anche ad altri tipi di cereali, tra cui il frumento o il farro.
Dibattito in corso sulla regolamentazione
La regolamentazione delle piante sviluppate con nuove tecniche genomiche come CRISPR/Cas9 è attualmente oggetto di dibattito in diversi paesi. In base a una prima decisione adottata la scorsa settimana dal Parlamento europeo, queste piante, che potrebbero anche nascere spontaneamente in natura (senza inserimento di DNA estraneo), saranno regolamentate in modo meno rigido. A metà del 2024 sono attese proposte da parte del Consiglio federale su come intende disciplinare in Svizzera l’autorizzazione di tali PGM.
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Dal riso all’orzo
La formazione della resa delle colture è complessa e vi sono coinvolti molti geni diversi. Alcuni ricercatori giapponesi hanno tuttavia scoperto nel riso che la mutazione del gene CKX2 produce un effetto inaspettatamente grande sulla resa. I risultati ottenuti sono stati convincenti al punto da essere attualmente applicati alla coltivazione del riso.
La ricerca ha dimostrato che i geni simili al CKX2 del riso, per esempio, svolgono un ruolo anche nella resa della colza. È quindi ragionevole studiare questo effetto in altre colture. Idealmente, al termine di questi esperimenti condotti nel sito protetto sarà possibile formulare una raccomandazione sulla necessità per i selezionatori di disattivare uno o entrambi i geni CKX2 per aumentare la resa. In ogni caso, saranno certamente fornite importanti informazioni sulla funzione del gene CKX2 nell’orzo e si raccoglieranno quindi ulteriori dati per comprendere meglio la formazione della resa.
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Species
