Учёные создали растения без пыльцы и семян, перенеся ген между компартментами клетки

Исследователи из Университета штата Северная Каролина (NC State) успешно перенесли важный ген из одной части растительной клетки в другую, создав табачные растения, у которых отсутствует пыльца и жизнеспособные семена, но при этом они нормально растут. Эти результаты могут привести к улучшению методов производства гибридных семян для максимизации урожайности или к внедрению бессемянности у плодовых культур, где этот признак желателен, но отсутствует (например, малина, ежевика, мускатный виноград).

Подход, основанный на митохондриях

Работа началась с изучения энергопроизводящей части клетки — митохондрий. У растений аномалии в митохондриальном геноме могут быть связаны с неспособностью производить пыльцу — признаком, известным как цитоплазматическая мужская стерильность (CMS). Этот признак уже используется для производства высокоурожайных гибридных семян. Однако естественных систем CMS, достаточно надёжных для коммерческого производства гибридных семян, мало.

Доказательство концепции на табаке

В своём исследовании учёные NC State вместе с коллегами из Precision BioSciences и Elo Life Systems использовали уникальную стратегию, чтобы проверить, можно ли создать признак CMS в табаке — модельном виде для исследований.

  1. Перенос гена: Исследователи взяли важный митохондриальный ген atp1 и переместили его в ядро клетки.
  2. Контроль экспрессии: Ген поместили под контроль промотора, который, как предполагалось, позволит экспрессировать перенесённый ген atp1 во всех клетках растения, кроме тех, что отвечают за производство пыльцы.
  3. Удаление оригинала: С помощью инструментов редактирования генома нативный ген atp1 был навсегда удалён из митохондрий.

Результаты: отсутствие пыльцы и семян

Подход оказался успешным. Растения выглядели совершенно нормально до начала цветения, но затем не производили пыльцу, так как перенесённый ген atp1 больше не экспрессировался. Поскольку исходный ген был удалён из митохондриального генома, признак будет наследоваться по материнской линии, что критически важно для крупномасштабного производства гибридных семян.

При перекрёстном опылении пыльцой от нормального растения эти табачные растения неожиданно давали маленькие полые семена, похожие на семена популярных «бессемянных» фруктов, таких как арбузы и виноград. Оказалось, что выбранный промотор не работал не только при формировании пыльцы, но и на ранних стадиях развития семян.

Будущие направления

Сейчас команда работает над «разделением» этих результатов, чтобы добиться либо только мужской стерильности (для гибридизации), либо только бессемянности, а не обоих признаков одновременно.

Исследователи подчёркивают, что метод не должен ограничиваться табаком. Следующие эксперименты включат:

  • Тестирование признака бессемянности на томате (близком родственнике табака).
  • Тестирование новой системы CMS на зерновой культуре, например, рисе, где производство гибридных семян важно для максимальной урожайности.

Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Plant Science.