植物线粒体DNA实现首次编辑

细胞核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，植物线粒体DNA以前还没有被成功编辑过。直到最近，日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA，这可能会导致更安全的食物供应。

领导这项研究的东京大学助理教授、分子植物遗传学家Shin-ichi Arimura开玩笑说:“当我们看到水稻‘更有礼貌’时，我们知道我们成功了。因为它深深地鞠了一躬，所以长着许多耳朵的大米才会有这样的弯曲。”

研究人员希望利用这项技术来解决目前作物中线粒体遗传多样性缺乏的问题，这是一个潜在的食品供应的破坏性弱点。他们还利用这项技术创造了4个新的水稻品种和3个新的油菜品种。相关结果发表在《自然通讯》上。

植物线粒体基因组意味着什么？

1970年，一种真菌感染了美国得克萨斯州一个农场的玉米，这种感染因玉米线粒体中的基因而加剧。农场里所有的玉米都有相同的基因，所以没有一个能抵抗感染。那一年，美国15%的玉米被完全收获。从那以后，美国从未种植过含有这种特定线粒体基因的玉米。

“我们仍然面临巨大的风险，因为世界上可用的植物线粒体基因组太少了。我想用我们的技术来操纵植物线粒体DNA，以增加作物的多样性。”有村说。

目前，大多数农民不保留收获作物的种子。由农业公司提供的杂交作物是其父母的两个基因不同的亚种的第一代后代，通常更强壮，产量更高。一个雄性亲本不能产生花粉。研究人员称之为普通类型的植物雄性不育细胞质雄性不育。

细胞质雄性不育是一种罕见但自然发生的现象，主要由线粒体引起。甜菜、胡萝卜、玉米、黑麦、高粱等。可以利用不育系的亲本亚种进行商业化种植。

植物通过叶绿体的光合作用产生大部分能量。然而，据Arimura说，“叶绿体的作用被高估了。”植物通过与动物细胞相同的“细胞发电站”获得能量，即线粒体。在他看来，“没有植物线粒体就没有生命”。

“植物线粒体基因组相对较大，其结构复杂得多。基因有时是复制的。基因表达机制仍不清楚。一些线粒体根本没有基因组。在以前的研究中，我们观察到它们与其他线粒体融合，交换蛋白质产物，然后再次分离。有村说。

为了找到操纵复杂植物线粒体基因组的方法，Arimura与熟悉水稻和油菜细胞质雄性不育系统的科学家合作。先前的研究表明，在这两种植物中，细胞质雄性不育是由水稻和油菜中一个进化上不相关的线粒体基因引起的。

该研究小组使用了一种叫做线粒体的技术，使用一种单一的蛋白质来定位线粒体基因组，将DNA切割成所需的基因并删除它们。Arimura说，“虽然删除大多数基因会引起问题，但删除细胞质雄性不育基因会解决植物中存在的问题。如果没有细胞质雄性不育基因，植物会再次繁殖。”

他们创造了四个新的水稻品种和三个新的油菜品种，证明了线粒体技术甚至可以成功操纵复杂的植物线粒体基因组。

有村说:“这是研究植物线粒体的重要的第一步。”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。(王芳编译)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-019-0459-z

《中国科学报》(2019-07-16)第五版《农业科技》