植物线粒体DNA实现首次编辑

  核DNA在20世纪70年代初首次编辑，叶绿体DNA于1988年首次编辑，动物线粒体DNA于2008年编辑。然而，植物线粒体DNA之前却没有被成功编辑过。直到近日，日本的研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA，这可能会带来更安全的食物供应。

领导这项研究的东京大学分子植物遗传学家、助理教授Shin-ichi Arimura开玩笑地说：“当看到水稻植株‘更有礼貌’时，我们知道自己取得了成功。因为它深深地鞠了一躬，穗多的水稻才会出现这样的弯曲。”

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，这是食物供应中潜在的破坏性弱点。他们还利用该技术创造了4个水稻新品种和3个油菜新品种。相关成果发表于《自然—通讯》。

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农场的玉米，之后又因玉米线粒体的一个基因而导致感染加剧。农场上所有玉米都有相同的基因，因此没有一个对这次感染有抵抗力。那一年，整个美国15%的玉米绝收。从那以后，美国再也没有种植具有该特定线粒体基因的玉米。

“我们现在仍然面临很大的风险，因为世界上可利用的植物线粒体基因组太少了。我想通过我们的技术操纵植物线粒体DNA来增加作物的多样性。”Arimura表示。

现在，大多数农民都不会从收获的作物中留种。农业公司供应的杂交作物是两个遗传上不同的亲本亚种的第一代后代，通常更强壮、更有生产力。其中一个父本不能制造花粉。研究人员将常见类型的植物雄性不育称为细胞质雄性不育（CMS）。

CMS是一种罕见但天然存在的现象，主要由线粒体引起。甜菜、胡萝卜、玉米、黑麦、高粱等都可以利用CMS的亲本亚种进行商业化种植。

植物通过叶绿体中的光合作用产生大部分能量。然而，根据Arimura的说法，“叶绿体的作用被高估了”。植物通过和动物细胞一样的“细胞发电站”获得能量，也就是线粒体。在他看来，“没有植物线粒体就没有生命”。

“植物线粒体基因组比较大，结构复杂得多，基因有时是重复的，基因表达机制尚不清楚，有些线粒体完全没有基因组。在之前的研究中，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。”Arimura说。

为了找到一种操纵复杂植物线粒体基因组的方法，Arimura和熟悉水稻、油菜CMS系统的科学家进行合作。之前的研究表明，在这两种植物中，造成CMS的原因是水稻和油菜中单一的、进化上不相关的线粒体基因。

研究团队采用了一种称为mitoTALENs的技术，使用单一蛋白质定位线粒体基因组，将DNA切割成所需基因，并将其删除。Arimura 表示，“虽然删除大多数基因会产生问题，但删除CMS基因会解决植物存在的问题。如果没有CMS基因，植物就会再次繁殖。”

他们创造出了4个水稻新品种和3个油菜新品种，证明了mitoTALENs技术甚至可以成功操纵复杂的植物线粒体基因组。

Arimura说：“这是植物线粒体研究重要的第一步。”研究人员将更详细地研究负责植物雄性不育的线粒体基因，并确定可能增加急需多样性的潜在突变。

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