Впервые отредактирована ДНК митохондрий растений

Исследователи из Японии впервые отредактировали митохондриальную ДНК растений, что может повысить продовольственную безопасность. Ранее редактировали ядерную ДНК (с начала 1970-х), ДНК хлоропластов (с 1988 года) и митохондриальную ДНК животных (с 2008 года). Однако до сих пор не существовало инструмента для редактирования митохондриальной ДНК растений.

С помощью новой техники учёные создали четыре новые линии риса и три новые линии рапса (канолы). «Мы поняли, что добились успеха, когда увидели, что растение риса стало более «вежливым» — оно сделало глубокий поклон», — пошутил доцент Син-ити Аримура, имея в виду, что фертильное растение риса сгибается под тяжестью зёрен.

Аримура, специалист по молекулярной генетике растений из Токийского университета, возглавлял исследовательскую группу, чьи результаты опубликованы в Nature Plants. В работе также участвовали коллеги из Университета Тохоку и Университета Тамагава.

Генетическое разнообразие для продовольственной безопасности

Исследователи надеются использовать эту технику, чтобы решить проблему недостатка митохондриального генетического разнообразия у сельскохозяйственных культур — потенциально опасной уязвимости в продовольственной системе. В 1970 году грибковая инфекция на фермах кукурузы в Техасе была усугублена наличием определённого гена в митохондриях кукурузы. У всей кукурузы на фермах был один и тот же ген, поэтому ни одно растение не было устойчивым. В тот год погибло 15% всего урожая кукурузы в США. С тех пор кукурузу с этим митохондриальным геном не сажают.

«Риск по-прежнему велик, потому что в мире используется очень мало вариантов митохондриальных геномов растений. Я хотел бы использовать нашу способность манипулировать митохондриальной ДНК растений, чтобы добавить разнообразия», — сказал Аримура.

Растения без пыльцы

Большинство фермеров не сохраняют семена урожая для посадки в следующем году. Гибридные растения — потомство первого поколения от двух генетически разных родительских линий — обычно более выносливы и продуктивны.

Чтобы обеспечить фермеров свежими гибридными семенами первого поколения каждый сезон, семеноводческие компании производят семена с использованием двух разных родительских линий. Один из этих родителей является мужски стерильным — он не может производить пыльцу. Исследователи называют распространённый тип мужской стерильности растений цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС). ЦМС — редкое, но естественное явление, вызванное в основном генами не в ядре клеток, а в митохондриях.

Зелёная фасоль, свёкла, морковь, кукуруза, лук, петуния, рапс (канола), рис, рожь, сорго и подсолнечник могут выращиваться в промышленных масштабах с использованием родительских линий с ЦМС.

Не только зелёное

Растения производят большую часть энергии с помощью фотосинтеза в зелёных хлоропластах. Однако, по словам Аримуры, слава хлоропластов переоценена. «Большая часть растения не зелёная, только листья над землёй. И у многих растений полгода нет листьев».

Значительную часть энергии растения получают через те же «энергетические станции клетки», что и животные клетки, — митохондрии. «Нет митохондрий у растений — нет жизни», — сказал Аримура.

Митохондрии содержат ДНК, полностью отдельную от основной ДНК клетки, которая хранится в ядре. Ядерная ДНК — это длинная двойная спираль, унаследованная от обоих родителей. Митохондриальный геном кольцевой, содержит гораздо меньше генов и в основном наследуется только от матери.

Митохондриальный геном животных относительно мал, содержится в единой кольцевой структуре и демонстрирует удивительное сходство между видами. «Даже митохондриальный геном рыбы похож на человеческий», — отметил Аримура.

С митохондриальными геномами растений всё иначе. «Митохондриальный геном растений огромен в сравнении, структура гораздо сложнее, гены иногда дублируются, механизмы экспрессии генов плохо изучены, а у некоторых митохондрий вообще нет геномов — в наших предыдущих исследованиях мы наблюдали, как они сливаются с другими митохондриями, чтобы обменяться белковыми продуктами, а затем снова разделяются», — пояснил Аримура.

Манипулирование митохондриальной ДНК растений

Чтобы найти способ воздействовать на сложный митохондриальный геном растений, Аримура обратился к коллегам, знакомым с системами ЦМС у риса и рапса. Предыдущие исследования убедительно свидетельствовали, что в обоих растениях причиной ЦМС является один, эволюционно не связанный митохондриальный ген (у риса и у рапса разные гены) — чёткая мишень в запутанном лабиринте митохондриальных геномов растений.

Команда Аримуры адаптировала технику, которая ранее редактировала митохондриальные геномы животных клеток в культуре. Техника под названием mitoTALENs использует один белок, чтобы найти митохондриальный геном, разрезать ДНК в нужном гене и удалить его. «Хотя удаление большинства генов создаёт проблемы, удаление гена ЦМС решает проблему для растений. Без гена ЦМС растения снова становятся фертильными», — сказал Аримура.

Создание полностью фертильных четырёх новых линий риса и трёх новых линий рапса является доказательством концепции, что система mitoTALENs может успешно манипулировать даже сложным митохондриальным геномом растений. «Это важный первый шаг для исследований митохондрий растений», — заключил Аримура.

Исследователи планируют подробнее изучить митохондриальные гены, ответственные за мужскую стерильность растений, и выявить потенциальные мутации, которые могли бы добавить столь необходимое разнообразие.