科學網—植物線粒體DNA實現首次編輯
2020-11-22 科學網 
核DNA在20世紀70年代初首次編輯，葉綠體DNA於1988年首次編輯，動物線粒體DNA於2008年編輯。然而，植物線粒體DNA之前卻沒有被成功編輯過。直到近日，日本的研究人員首次成功編輯了植物線粒體DNA，這可能會帶來更安全的食物供應。
領導這項研究的東京大學分子植物遺傳學家、助理教授Shin-ichi Arimura開玩笑地說：「當看到水稻植株『更有禮貌』時，我們知道自己取得了成功。因為它深深地鞠了一躬，穗多的水稻才會出現這樣的彎曲。」
研究人員希望利用這項技術來解決目前作物中線粒體遺傳多樣性缺乏的問題，這是食物供應中潛在的破壞性弱點。他們還利用該技術創造了4個水稻新品種和3個油菜新品種。相關成果發表於《自然—通訊》。
植物線粒體基因組意味著什麼？
1970年，一種真菌感染了美國德克薩斯州農場的玉米，之後又因玉米線粒體的一個基因而導致感染加劇。農場上所有玉米都有相同的基因，因此沒有一個對這次感染有抵抗力。那一年，整個美國15%的玉米絕收。從那以後，美國再也沒有種植具有該特定線粒體基因的玉米。
「我們現在仍然面臨很大的風險，因為世界上可利用的植物線粒體基因組太少了。我想通過我們的技術操縱植物線粒體DNA來增加作物的多樣性。」Arimura表示。
現在，大多數農民都不會從收穫的作物中留種。農業公司供應的雜交作物是兩個遺傳上不同的親本亞種的第一代後代，通常更強壯、更有生產力。其中一個父本不能製造花粉。研究人員將常見類型的植物雄性不育稱為細胞質雄性不育（CMS）。
CMS是一種罕見但天然存在的現象，主要由線粒體引起。甜菜、胡蘿蔔、玉米、黑麥、高粱等都可以利用CMS的親本亞種進行商業化種植。
植物通過葉綠體中的光合作用產生大部分能量。然而，根據Arimura的說法，「葉綠體的作用被高估了」。植物通過和動物細胞一樣的「細胞發電站」獲得能量，也就是線粒體。在他看來，「沒有植物線粒體就沒有生命」。
「植物線粒體基因組比較大，結構複雜得多，基因有時是重複的，基因表達機制尚不清楚，有些線粒體完全沒有基因組。在之前的研究中，我們觀察到它們與其他線粒體融合以交換蛋白質產物，然後再次分離。」Arimura說。
為了找到一種操縱複雜植物線粒體基因組的方法，Arimura和熟悉水稻、油菜CMS系統的科學家進行合作。之前的研究表明，在這兩種植物中，造成CMS的原因是水稻和油菜中單一的、進化上不相關的線粒體基因。
研究團隊採用了一種稱為mitoTALENs的技術，使用單一蛋白質定位線粒體基因組，將DNA切割成所需基因，並將其刪除。Arimura 表示，「雖然刪除大多數基因會產生問題，但刪除CMS基因會解決植物存在的問題。如果沒有CMS基因，植物就會再次繁殖。」
他們創造出了4個水稻新品種和3個油菜新品種，證明了mitoTALENs技術甚至可以成功操縱複雜的植物線粒體基因組。
Arimura說：「這是植物線粒體研究重要的第一步。」研究人員將更詳細地研究負責植物雄性不育的線粒體基因，並確定可能增加急需多樣性的潛在突變。（王方編譯）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-019-0459-z
《中國科學報》 (2019-07-16 第5版 農業科技)
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