بهینه‌سازی زیست‌کارخانه تولید کروسین در گوجه‌فرنگی از طریق تنظیم دقیق ساختار گیاه

گوجه‌فرنگی (Solanum lycopersicum) به عنوان یک بستر امیدوارکننده برای تولید پایدار متابولیت‌های با ارزش بالا ظهور کرده است. در این مطالعه، ما نشان می‌دهیم که بازسازی معماری گیاه از طریق ویرایش ژنوم می‌تواند به عنوان یک استراتژی بهینه‌سازی شاسی در کارخانه‌های زیستی گیاهی مورد استفاده قرار گیرد. با تکیه بر لاین Tomaffron که قبلاً ایجاد شده است و آپوکاروتنوئیدهای زعفران را در میوه جمع می‌کند، و بر اساس دانش موجود مبنی بر اینکه جهش در ژن‌های هرس خودکار (SP) و SP5G باعث ایجاد گیاهان گوجه‌فرنگی فشرده و با رشد محدود می‌شود، ما از CRISPR/Cas9 برای ویرایش ژن‌های SP و SP5G در Tomaffron برای بهبود تولید کروسین استفاده کردیم. جهش‌یافته‌های دوگانه sp sp5g حاصل، در مقایسه با جهش‌نیافته‌ها، عادت رشد فشرده‌ای را همراه با عملکرد میوه، محتوای کروسین کل و میوه‌های رسیده‌تر و سفت‌تر نشان دادند. نکته قابل توجه این است که عملکرد کروسین در هر متر مربع در مقایسه با گیاهان تومافر غیر جهش یافته که با تراکم یکسان رشد کرده بودند، تقریباً چهار برابر افزایش یافت که نشان دهنده پیشرفت در جهت دستیابی به عملکرد کروسین زعفران و ارائه مزیت کشت و برداشت آسان تر در سیستم گوجه فرنگی است. نتایج ما نشان می دهد که ویرایش ژنوم معماری گیاه نه تنها ابزاری برای بهبود زراعی است، بلکه یک استراتژی قدرتمند برای تنظیم دقیق عملکرد بیوکارخانه گوجه فرنگی ما نیز هست و رویکردی مقیاس پذیر و پایدار برای تولید متابولیت های ارزشمند ارائه می دهد.

Tomato (Solanum lycopersicum) has emerged as a promising platform for the sustainable production of high-value metabolites. In this study, we demonstrate that plant architecture remodeling via genome editing can be exploited as a chassis optimization strategy in plant biofactories. Building on the previously established Tomaffron line, which accumulates saffron apocarotenoids in the fruit, and based on the established knowledge that mutations in SELF-PRUNING (SP) and SP5G genes generate compact, determinate tomato plants, we used CRISPR/Cas9 to edit the SP and SP5G genes in Tomaffron to improve crocin production. The resulting sp sp5g double mutants exhibited a compact growth habit combined with significantly higher fruit yield, total crocin content, and firmer ripe fruits compared with non-mutants. Remarkably, crocin yields per square meter increased nearly fourfold compared to non-mutant Tomaffron plants grown at the same density, representing progress toward achieving the crocin yields of Crocus sativus and offering the advantage of easier cultivation and harvesting in the tomato system. Our results show that genome editing of plant architecture is not only a tool for agronomic improvement but also a powerful strategy to fine-tune our tomato biofactory performance, offering a scalable and sustainable approach for the production of valuable metabolites.