Nature 基因编辑技术步入新纪元，首次实现植物线粒体DNA的编辑！

来源：iNature

原标题：Nature Plants | 基因编辑技术步入新纪元，首次实现植物线粒体DNA的编辑！

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。植物中的线粒体基因组大小不等，从大约100千碱基（kb）到10Mb，并且大于动物的线粒体基因组（大约16.5kb）。虽然对植物线粒体基因组序列了解很多，但植物线粒体基因组的分子分析受到缺乏稳定线粒体转化方法的限制，需要开发新的方法来更好地理解其基因的功能和关于线粒体的机制。在植物中，一种称为细胞质雄性不育（CMS）通常表现为中止花粉发育和没有结实的形式，并且经常用于在农业中产生F1杂种种子。一般来说，CMS被认为是由线粒体基因引起的。敲除典型的线粒体基因可能是致命的或导致不利的表型变化，但CMS植物中CMS致病基因的敲除预计会恢复生育力而不会引起其他表型变化。

2019年7月8日，日本东北大学TomohikoKazama团队联合玉川大学Nobuya Koizuka团队和东京大学分子植物遗传学家、助理教授 Shin-ichi Arimura团队在Nature Plants上发表题为“Curingcytoplasmic male sterility via TALEN-mediated mitochondrial genome editing”的文章，通过mitoTALEN敲除这些线粒体基因来评估它们在修饰线粒体基因组中的有用性，以及检验这些基因是CMS的真正原因的假设。

植物线粒体DNA有多么重要呢？

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。

该研究建立的技术可以解决上述问题

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，切割所需基因，并将其删除。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。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。

MitoTALEN改造水稻中的orf79并恢复雄性生育能力

序列特异性核酸酶通常用于修饰植物的核基因组。然而，尚未实现对植物线粒体基因组的靶向修饰。在植物中，一种称为细胞质雄性不育（CMS）的雄性不育已归因于某些线粒体基因，但这些基因中没有一个通过直接线粒体基因靶向修饰得到验证。该研究分别使用具有线粒体定位信号（mitoTALENs）的转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）敲除了CMS品种的水稻和油菜籽的CMS相关基因（orf79和orf125），证明了敲除这些基因可以治愈雄性不育，强烈暗示这些基因是CMS的原因。测序显示，mitoTALENs诱导的双链断裂通过同源重组修复，并且在此过程中，靶基因和周围序列被删除。研究结果表明，mitoTALENs可用于稳定和可遗传地修饰植物中的线粒体基因组。

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https://www.nature.com/articles/s41477-019-0459-z