Ядерная ДНК была впервые отредактирована в начале 1970-х годов, хлоропластная ДНК была впервые отредактирована в 1988 году, а митохондриальная ДНК животных была отредактирована в 2008 году. Однако ни один инструмент ранее не редактировал митохондриальную ДНК растений.
Исследователи использовали свою технику для создания четырех новых линий риса и трех новых линий рапса (канолы).
«Мы поняли, что добились успеха, когда увидели, что рисовое растение более вежливое – оно имеет низкий поклон», – сказал доцент Син-ичи Аримура, шутя о том, как плодородное рисовое растение сгибается под тяжестью тяжелых семян.
Аримура является экспертом в области молекулярной генетики растений в Токийском университете и возглавляет исследовательскую группу, результаты которой были опубликованы в журнале Nature Plants. Сотрудники из Университета Тохоку и Университета Тамагава также внесли свой вклад в исследование.
Генетическое разнообразие для питания
Исследователи надеются использовать этот метод для решения проблемы текущего отсутствия митохондриального генетического разнообразия в сельскохозяйственных культурах, потенциально разрушительного слабого места в нашем продовольственном обеспечении.
В 1970 году на кукурузные фермы в Техасе появилась грибковая инфекция, которая была обострена геном в митохондриях кукурузы. У всей кукурузы на фермах был один и тот же ген, поэтому ни одна из них не была устойчивой к инфекции.
В том году было убито пятнадцать процентов всего урожая кукурузы в Америке. Кукуруза с этим специфическим митохондриальным геном не выращивалась с тех пор.
«У нас все еще есть большой риск, потому что в мире используется так мало митохондриальных геномов растений. «Я хотел бы использовать нашу способность манипулировать митохондриальной ДНК растений, чтобы добавить разнообразия», – сказал Аримура.
Растения без пыльцы
Большинство фермеров не экономят семена из урожая для повторной посадки в следующем году. Гибридные растения, потомки в первом поколении двух генетически разных родительских подвидов, обычно более выносливы и продуктивны.
Чтобы у фермеров были свежие гибридные семена первого поколения каждый сезон, сельскохозяйственные компании-поставщики производят семена в рамках отдельного процесса селекции с использованием двух разных родительских подвидов. Один из этих родителей бесплоден мужского пола – он не может производить пыльцу.
Исследователи называют распространенный тип мужского бесплодия растений цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС). CMS – редкое, но встречающееся в природе явление, вызванное в первую очередь генами не в ядре клеток, а, скорее, в митохондриях.
Зеленые бобы, свекла, морковь, кукуруза, лук, петуния, рапсовое (каноловое) масло, рис, рожь, сорго и подсолнечник можно выращивать в коммерческих целях, используя родительские подвиды с мужским бесплодием по типу CMS.
За пределами зеленого
Растения используют солнечный свет для производства большей части своей энергии посредством фотосинтеза в зеленых пигментированных хлоропластах. Однако, по словам Аримуры, слава хлоропластов переоценена.
"Большинство растений не зеленые, только листья над землей.
А у многих растений полгода нет листьев », – сказал Аримура.
Значительную часть энергии растения получают через тот же «источник энергии клетки», который производит энергию в клетках животных: митохондрии.
«Нет митохондрий растений, нет жизни», – сказал Аримура.
Митохондрии содержат ДНК, полностью отделенную от основной ДНК клетки, которая хранится в ядре. Ядерная ДНК – это генетический материал с длинной двойной спиралью, унаследованный от обоих родителей. Митохондриальный геном имеет форму круга, содержит гораздо меньше генов и в основном наследуется только от матери.
Митохондриальный геном животного – это относительно небольшая молекула, содержащаяся в единой кольцевой структуре с замечательной сохранностью между видами.
«Даже митохондриальный геном рыбы похож на геном человека», – сказал Аримура.
Митохондриальные геномы растений – это другая история.
«По сравнению с этим митохондриальный геном растений огромен, структура намного сложнее, гены иногда дублируются, механизмы экспрессии генов не совсем понятны, а некоторые митохондрии вообще не имеют геномов – в наших предыдущих исследованиях мы наблюдали что они сливаются с другими митохондриями для обмена белковых продуктов, а затем снова разделяются ", – сказал Аримура.
Манипулирование митохондриальной ДНК растений
Чтобы найти способ манипулировать сложным митохондриальным геномом растения, Аримура обратился к своим сотрудникам, знакомым с системами CMS в рисе и рапсе (канола). Предыдущие исследования убедительно показали, что у обоих растений причиной CMS был один эволюционно не связанный митохондриальный ген риса и рапса (канола): четкие мишени в запутанном лабиринте митохондриальных геномов растений.
Команда Аримуры адаптировала технику, которая ранее редактировала митохондриальные геномы клеток животных, растущих в чашке. Метод, называемый mitoTALENs, использует один белок для определения местоположения митохондриального генома, вырезания ДНК по желаемому гену и его удаления.
"Хотя удаление большинства генов создает проблемы, удаление гена CMS решает проблему для растений. Без гена CMS растения снова плодовиты », – сказал Аримура.
Полностью оплодотворенные четыре новые линии риса и три новые линии рапса (канолы), созданные исследователями, являются доказательством концепции, что система mitoTALENs может успешно манипулировать даже сложным митохондриальным геномом растения.
«Это важный первый шаг для исследования митохондрий растений», – сказал Аримура.
Исследователи более подробно изучат митохондриальные гены, ответственные за мужское бесплодие растений, и определят потенциальные мутации, которые могут добавить столь необходимое разнообразие.