日本研究人员首次编辑了植物线粒体DNA,这可能会带来更安全的食物供应。
核DNA在20世纪70年代初首次被编辑,叶绿体DNA在1988年首次被编辑,动物线粒体DNA在2008年被编辑。然而,之前还没有工具成功编辑过植物线粒体DNA。
研究人员利用他们的技术培育了四个新的水稻品系和三个新的油菜籽品系。
副教授有村信一(Shin-ichi Arimura)开玩笑地说:“当我们看到水稻植株变得更有礼貌时,我们知道我们成功了——它有一个很深的鞠躬。”
Arimura是东京大学的植物分子遗传学专家,领导了这个研究小组,他们的研究结果发表在《自然植物》上。日本东北大学和玉川大学的合作者也参与了这项研究。
食物供应的遗传多样性
研究人员希望利用这项技术来解决目前农作物线粒体遗传多样性缺乏的问题,这是我们食物供应中一个潜在的毁灭性弱点。
1970年,一种真菌感染来到德克萨斯州的玉米农场,玉米线粒体中的一个基因加剧了这种感染。农场里所有的玉米都有相同的基因,所以没有玉米对感染有抵抗力。那一年,美国15%的玉米作物被杀死。从那以后,带有这种线粒体基因的玉米就再也没有被种植过。
“我们现在仍然有很大的风险,因为世界上使用的植物线粒体基因组太少了。我想利用我们操纵植物线粒体DNA的能力来增加多样性,”有村说。
没有花粉的植物
大多数农民不会把收获的种子留到明年再种。杂交植物是两个基因不同的亲本亚种的第一代后代,通常更耐寒,产量更高。
为了确保农民每个季节都有新鲜的第一代杂交种子,农业供应公司使用两个不同的亲本亚种通过单独的育种过程生产种子。其中一个双亲是雄性不育的——它不能制造花粉。
研究人员将植物雄性不育的一种常见类型称为细胞质雄性不育(CMS)。CMS是一种罕见但自然发生的现象,主要由基因引起,而不是细胞核中的基因,而是线粒体。
绿豆、甜菜、胡萝卜、玉米、洋葱、矮牵牛花、油菜籽(菜籽油)、大米、黑麦、高粱和向日葵可以利用具有cms型男性不育的亲本亚种进行商业种植。
除了绿色
植物利用阳光产生大部分能量,通过绿色色素叶绿体的光合作用。然而,据Arimura说,叶绿体的名声被高估了。
“植物的大部分不是绿色的,只有露出地面的叶子是绿色的。许多植物有半年不长叶子。”
植物获得能量的很大一部分是通过与动物细胞产生能量相同的“细胞发电站”:线粒体。
“没有植物线粒体,就没有生命,”有村说。
线粒体包含的DNA与储存在细胞核中的细胞主DNA完全分离。核DNA是遗传自父母双方的长双螺旋遗传物质。线粒体基因组是圆形的,包含的基因要少得多,而且主要只从母亲那里遗传。
动物线粒体基因组是一个相对较小的分子,包含在一个单一的圆形结构中,在物种之间具有显著的保守性。
“即使是鱼的线粒体基因组也与人类相似,”Arimura说。
植物线粒体基因组是一个不同的故事。
他说:“相比之下,植物线粒体基因组很大,结构复杂得多,基因有时是重复的,基因表达机制尚不清楚,一些线粒体根本没有基因组。在我们之前的研究中,我们观察到它们与其他线粒体融合以交换蛋白质产物,然后再次分离。”
操纵植物线粒体DNA
为了找到一种方法来操纵复杂的植物线粒体基因组,Arimura求助于熟悉水稻和油菜籽CMS系统的合作者。先前的研究强烈表明,在这两种植物中,导致CMS的原因是水稻和油菜中一个单一的、进化上无关的线粒体基因:在复杂的植物线粒体基因组迷宫中明确的目标。
Arimura的团队采用了先前在培养皿中编辑动物细胞线粒体基因组的技术。这项技术被称为mitoTALENs,它使用一种蛋白质来定位线粒体基因组,切割所需基因处的DNA,并将其删除。
“虽然删除大多数基因会产生问题,但删除CMS基因可以解决植物的问题。没有了CMS基因,植物又能繁殖了。”
研究人员培育出的完全可育的4个水稻新品种和3个油菜籽新品种证明,mitoTALENs系统甚至可以成功地操纵复杂的植物线粒体基因组。
“这是植物线粒体研究的重要的第一步,”Arimura说。
研究人员将更详细地研究导致植物雄性不育的线粒体基因,并确定可能增加急需的多样性的潜在突变。
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