Genetic improvement of horticultural crops mediated by CRISPR/Cas: a new horizon of possibilities

Resumo

Abstract

The burden of the current global challenge involving food security lies in the need to improve crop production. In this regard, biotechnology stands out as an essential tool to generate plants able to cope with pests, diseases, and harsh climatic conditions, and more efficient in the use of natural resources. An advanced approach to create genetic variability in a precise and targeted way, the genome-editing technique CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated protein), has drawn the attention of breeders. The genome editing CRISPR/Cas system relies on a guiding RNA that directs a nuclease to generate a double-strand break (DSB) at a target DNA, activating the cell repair systems and eventually leading to deletions or insertions of nucleotides. Therefore, CRISPR/Cas is a toolbox to achieve many goals, from basic science investigations to the development of crops with improved agronomic traits, with potential to bring innovative solutions to food production. The CRISPR/Cas system has been applied in a large number of plants, including some horticultural species. In this review, we present details of the CRISPR/Cas natural and artificial systems, its possibilities as a biotechnological tool, advantages over other breeding techniques, regulatory issues, and its applicability in horticultural crops, as well as future challenges.

Keywords: genome editing, plant breeding, biotechnology, induced mutations, non-transgenic.

Resumo

Melhoramento genético de hortaliças mediado por CRISPR/Cas: uma nova gama de possibilidades

O grande desafio para garantir a segurança alimentar global está na necessidade de aumentar a produção agrícola. Neste contexto, a biotecnologia destaca-se como uma ferramenta importante para gerar plantas geneticamente melhoradas, com maior resistência/tolerância a pragas, doenças e condições climáticas adversas, que utilizem de forma eficiente os recursos naturais. Uma abordagem avançada para a geração de variabilidade genética de maneira precisa e direcionada tem chamado a atenção dos melhoristas, a técnica de edição genômica CRISPR/Cas (repetições palindrômicas curtas agrupadas e regularmente interespaçadas/proteína associada ao CRISPR). O sistema de edição genômica CRISPR/Cas é formado por um RNA guia que direciona uma nuclease para gerar cortes específicos no DNA alvo. Esta ruptura ativa os sistemas de reparo celular e, eventualmente, leva a deleções ou inserções de nucleotídeos. Assim, a tecnologia CRISPR/Cas pode ser aplicada tanto na pesquisa científica básica, quanto no  desenvolvimento de culturas com características agronômicas melhoradas, com o potencial de trazer soluções inovadoras para a agricultura. Esta técnica tem sido aplicada em um grande número de culturas agrícolas, incluindo algumas hortaliças. Nesta revisão, apresentamos detalhes do sistema natural e artificial CRISPR/Cas, suas possibilidades como ferramenta biotecnológica, vantagens sobre outras abordagens de melhoramento genético, questões regulatórias e sua aplicabilidade nas hortaliças, bem como desafios futuros.

Palavras-chave: Edição genômica, melhoramento genético de plantas, biotecnologia, mutações induzidas, não-transgênico.