DOI: https://doi.org/10.1111/pbi.70661
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41919983
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Navneet Kaur وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث نبات البطاطس
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم إجراء تجارب ميدانية على القمح (Triticum aestivum) الصنف Cadenza، مع التركيز على تأثير حذف جين سينثاز الأسباراجين TaASN2، بشكل مستقل وفي conjunction مع حذف جزئي للجين المرتبط TaASN1، باستخدام تقنية CRISPR/Cas9. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام TILLING لإنشاء TaASN2 nulls في خلفية Claire. كان الهدف الرئيسي هو تقييم محتوى الأسباراجين الحر في الحبوب وتحويله إلى أكريلاميد، وهو ملوث ضار، في مختلف المنتجات المخبوزة.
أظهرت النتائج انخفاضات كبيرة في محتوى الأسباراجين الحر: 59% لحذف TaASN2 و93% لحذف TaASN1/2 مقارنةً بالتحكم Cadenza. أظهر خط TILLING انخفاضًا بنسبة 50% مقارنةً بـ Claire. من المهم أن الخطوط المعدلة حافظت على مستويات الإنتاج، بينما شهدت خطوط TILLING انخفاضًا. كانت مستويات الأكريلاميد في الخبز من خط TaASN1/2 CRISPR غير قابلة للاكتشاف، بينما أظهر خط TaASN2 مستويات عند 14% من التحكم، وظلت عند 8% بعد 4 دقائق من التحميص. في البسكويت، أظهر خط TaASN1/2 CRISPR انخفاضًا بنسبة 93% في الأكريلاميد مقارنةً بالتحكم. ومن الجدير بالذكر أن العلاقة بين تكوين الأكريلاميد وكثافة اللون قد تغيرت في الخطوط المعدلة والطافرة، مما يشير إلى إنتاج أقل للأكريلاميد لمستويات اللون المعادلة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تأثير الخبز على العجائن القائمة على القمح، مع تسليط الضوء على تحسين القوام واللون والنكهة والرائحة من خلال التحميص، والذي يقوده بشكل أساسي تفاعل ميلارد الذي ينطوي على الأحماض الأمينية الحرة والسكريات المختزلة. ومع ذلك، فإنه يتناول أيضًا تكوين الأكريلاميد (C₃H₅NO)، وهو ملوث مسرطن ينتج عن الأسباراجين خلال عمليات الطهي عالية الحرارة. وقد أعربت الهيئة الأوروبية لسلامة الغذاء عن قلقها بشأن مستويات الأكريلاميد الغذائية، مما أدى إلى تنظيمات صارمة، بما في ذلك مستويات مرجعية لمختلف المنتجات الغذائية التي وضعتها المفوضية الأوروبية.
تؤكد الورقة على التحديات التي تواجهها الشركات الغذائية في إدارة مستويات الأكريلاميد مع الحفاظ على جودة المنتج، خاصة بسبب تباين تركيزات الأسباراجين الحرة في القمح، والتي تتأثر بممارسات إدارة المحاصيل. يقترح المؤلفون أن تطوير أصناف القمح بمستويات أسباراجين منخفضة وثابتة يمكن أن يسهل الامتثال التنظيمي ويقلل من تعرض المستهلكين للأكريلاميد. ويبلغون عن استخدام تقنية CRISPR/Cas9 لحذف جين TaASN2، مما يقلل بشكل كبير من تركيزات الأسباراجين الحرة في حبوب القمح. أظهرت التجارب الميدانية انخفاضًا ملحوظًا في مستويات الأسباراجين في الخطوط المعدلة وراثيًا، وتوضح الورقة الآثار المترتبة على هذه النتائج لتكوين الأكريلاميد في المنتجات المخبوزة، خاصة في ضوء التنظيمات المتطورة بشأن سلامة الغذاء.
طرق
توضح قسم الإجراءات التجريبية المنهجيات المستخدمة في الدراسة للتحقيق في فرضية البحث. يوضح المؤلفون التصميم التجريبي المحدد، بما في ذلك اختيار المشاركين، والمواد المستخدمة، والبروتوكولات المتبعة خلال التجارب. تم التلاعب بالمتغيرات الرئيسية بشكل منهجي لتقييم تأثيراتها على النتائج ذات الصلة، مما يضمن أن النتائج موثوقة وصحيحة.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لتفسير البيانات التي تم جمعها من التجارب. يشمل ذلك تطبيق اختبارات إحصائية مناسبة لتقييم أهمية النتائج، بالإضافة إلى أي تدابير تم اتخاذها للتحكم في المتغيرات المربكة المحتملة. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لاختبار الفرضيات بدقة والمساهمة في قوة استنتاجات الدراسة.
نتائج
تتناول قسم النتائج توصيف حذف TaASN1 وTaASN2 في القمح (Triticum aestivum) الذي تم تحقيقه من خلال تحرير CRISPR/Cas9 والطفرات الناتجة عن الإيثيل ميثان سلفونات (EMS). كان التركيز الأساسي على جين TaASN2، الذي يعد الجين الأكثر تعبيرًا عن سينثاز الأسباراجين خلال تطوير حبوب القمح. حددت الدراسة null كامل لجين TaASN2 في الخط 59، الذي أظهر أيضًا تحريرًا جزئيًا لجين TaASN1 المرتبط عن كثب. استخدم التحرير أربعة gRNAs، مع درجات متفاوتة من عدم التطابق مع الجينات المستهدفة، وكشف تحليل تسلسل النوكليوتيدات عن حذف وإدخالات محددة في جينات TaASN-B1 وTaASN-A1، على التوالي.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على توليد خطوط TILLING من خلال معالجة EMS، مع تحديد الطفرات في كل من جينات TaASN2 في الجينوم A وD. ومن الجدير بالذكر أن الخط 1048 أظهر طفرة G إلى A أدت إلى بروتين مقطوع، بينما أظهر الخط 0053 طفرة C إلى T أدت إلى كودون توقف. تم دمج هذه الطفرات في خلفية Claire، التي تفتقر بشكل طبيعي إلى جين TaASN-B2. كما تفيد الدراسة بتضمين خطوط TILLING في التجارب الميدانية، حيث يمثل TILLING ABD أول خط TaASN2 null كامل، مع دمج الطفرات المحددة والحذف الطبيعي لجين TaASN-B2.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم تجارب ميدانية أجريت على مدى عامين (2022-2024) على أنماط القمح المعدلة عبر تقنيات CRISPR/Cas9 وTILLING، مستهدفة جينات سينثاز الأسباراجين-2 (TaASN2) لتقليل تراكم الأسباراجين الحر في الحبوب. شملت التجارب خطوطًا معدلة مختلفة وخطوط TILLING، وكشفت أنه بينما حققت الخطوط المعدلة انخفاضًا كبيرًا في مستويات الأسباراجين الحر – بأكثر من 90% في بعض الحالات – تم الحفاظ على الإنتاج، حيث أنتجت الخطوط المعدلة حبوبًا أصغر مقارنةً بالتحكم (Cadenza). ومن الجدير بالذكر أن خطوط TILLING أظهرت انخفاضًا كبيرًا في الإنتاج بنسبة تقارب 22.5% مقارنةً بالتحكم الخاص بها (Claire)، على الأرجح بسبب تراكم الطفرات العشوائية بدلاً من التخفيض المستهدف للأسباراجين الحر.
تشير النتائج إلى أن استراتيجية التحرير خفضت بشكل فعال تركيزات الأسباراجين الحر دون التأثير على الإنتاج، محققة مستويات أقل بكثير من تلك المبلغ عنها في أصناف القمح التقليدية. تقترح الدراسة أن الانخفاضات الملحوظة في الأسباراجين الحر يمكن أن يكون لها آثار على تقليل تكوين الأكريلاميد في المنتجات المخبوزة، كما يتضح من انخفاض مستويات الأكريلاميد في الخبز والبسكويت المصنوع من الخطوط المعدلة مقارنةً بالتحكم. بشكل عام، تدعم الأبحاث إمكانية التحرير الجيني لإنتاج أصناف قمح ذات ملفات أمان محسنة مع الحفاظ على الإنتاجية الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1111/pbi.70661
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41919983
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Navneet Kaur et al.
Primary Topic: Potato Plant Research
Overview
In this study, field trials were conducted on wheat (Triticum aestivum) cv. Cadenza, focusing on the impact of knocking out the asparagine synthetase gene TaASN2, both independently and in conjunction with a partial knockout of the related gene TaASN1, using CRISPR/Cas9 technology. Additionally, TILLING was employed to create TaASN2 nulls in the Claire background. The primary objective was to evaluate the free asparagine content in the grain and its conversion to acrylamide, a harmful contaminant, in various baked products.
The results demonstrated significant reductions in free asparagine content: 59% for the TaASN2 knockout and 93% for the TaASN1/2 knockout compared to the Cadenza control. The TILLING line exhibited a 50% reduction compared to Claire. Importantly, the edited lines maintained yield levels, while the TILLING lines experienced a decrease. Acrylamide levels in bread from the TaASN1/2 CRISPR line were undetectable, while the TaASN2 line showed levels at 14% of the control, remaining at 8% after 4 minutes of toasting. In biscuits, the TaASN1/2 CRISPR line exhibited a 93% reduction in acrylamide compared to the control. Notably, the relationship between acrylamide formation and color intensity was altered in the edited and mutant lines, indicating a lower acrylamide production for equivalent color levels.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the impact of baking on wheat-based doughs, highlighting the enhancement of texture, color, flavor, and aroma through toasting, which is primarily driven by the Maillard reaction involving free amino acids and reducing sugars. However, it also addresses the formation of acrylamide (C₃H₅NO), a carcinogenic contaminant produced from asparagine during high-temperature cooking processes. The European Food Safety Authority has expressed concern over dietary acrylamide levels, leading to stringent regulations, including Benchmark Levels for various food products established by the European Commission.
The paper emphasizes the challenges faced by food businesses in managing acrylamide levels while maintaining product quality, particularly due to the variability of free asparagine concentrations in wheat, which are influenced by crop management practices. The authors propose that developing wheat varieties with reduced and consistent asparagine levels could facilitate regulatory compliance and lower consumer exposure to acrylamide. They report on the use of CRISPR/Cas9 technology to knock out the TaASN2 gene, significantly reducing free asparagine concentrations in wheat grains. Field trials demonstrated a notable decrease in asparagine levels in the genetically modified lines, and the paper outlines the implications of these findings for acrylamide formation in baked goods, particularly in light of evolving regulations on food safety.
Methods
The section on Experimental Procedures outlines the methodologies employed in the study to investigate the research hypothesis. The authors detail the specific experimental design, including the selection of participants, materials used, and the protocols followed during the experiments. Key variables were systematically manipulated to assess their effects on the outcomes of interest, ensuring that the results are both reliable and valid.
Additionally, the section describes the statistical analyses performed to interpret the data collected from the experiments. This includes the application of appropriate statistical tests to evaluate the significance of the findings, as well as any measures taken to control for potential confounding variables. Overall, the methods employed are designed to rigorously test the hypotheses and contribute to the robustness of the study’s conclusions.
Results
The results section details the characterization of TaASN1 and TaASN2 knockouts in wheat (Triticum aestivum) achieved through CRISPR/Cas9 editing and ethyl methanesulphonate (EMS)-induced mutations. The primary focus was on the TaASN2 gene, which is the most highly expressed asparagine synthetase gene during wheat grain development. The study identified a total null for TaASN2 in Line 59, which also exhibited partial editing of the closely related TaASN1 gene. The editing utilized four gRNAs, with varying degrees of mismatches to the target genes, and nucleotide sequence analysis revealed specific deletions and insertions in the TaASN-B1 and TaASN-A1 genes, respectively.
Additionally, the research highlights the generation of TILLING lines through EMS treatment, identifying mutations in both the A and D genome TaASN2 genes. Notably, Line 1048 exhibited a G to A mutation resulting in a truncated protein, while Line 0053 showed a C to T mutation leading to a stop codon. These mutations were combined in the Claire background, which naturally lacks the TaASN-B2 gene. The study also reports on the inclusion of TILLING lines in field trials, with TILLING ABD representing the first total TaASN2 null line, incorporating the identified mutations and the natural deletion of TaASN-B2.
Discussion
In this study, field trials conducted over two years (2022-2024) evaluated wheat genotypes modified via CRISPR/Cas9 and TILLING techniques, targeting the asparagine synthetase-2 (TaASN2) genes to reduce free asparagine accumulation in grain. The trials included various edited lines and TILLING lines, revealing that while the edited lines achieved a significant reduction in free asparagine levels—over 90% in some cases—yield was maintained, with the edited lines producing smaller grains compared to the control (Cadenza). Notably, the TILLING lines exhibited a substantial yield reduction of approximately 22.5% compared to their control (Claire), likely due to the accumulation of random mutations rather than the targeted reduction of free asparagine.
The findings indicate that the editing strategy effectively lowered free asparagine concentrations without compromising yield, achieving levels significantly below those reported in conventional wheat varieties. The study suggests that the observed reductions in free asparagine could have implications for reducing acrylamide formation in baked products, as demonstrated by lower acrylamide levels in bread and biscuits made from the edited lines compared to controls. Overall, the research supports the potential of genetic editing to produce wheat varieties with enhanced safety profiles while maintaining agricultural productivity.