В области сельскохозяйственной науки возможность манипулировать генетическим составом растений обещает произвести революцию в производстве продуктов питания и других продуктов растительного происхождения. Одним из наиболее революционных методов в этой области является редактирование митохондриального генома. Этот метод позволяет ученым изменять специфические гены в митохондриях — энергопроизводящих комплексах растительных клеток.
Значение редактирования митохондриального генома
Редактирование митохондриального генома способно привнести в растения признаки, которые могут существенно повысить их полезность. Например, создание растений, у которых отсутствует пыльца и жизнеспособные семена, может привести к получению гибридных семян, позволяющих максимально повысить продуктивность сельскохозяйственных культур. Кроме того, введение признака бессемянности в плоды, которые в природе имеют семена, может сделать их более привлекательными для потребителей.
Роль цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС)
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) — это явление, при котором растения не способны производить пыльцу. Этот признак связан с аберрациями в митохондриальном геноме. ЦМС является ценным инструментом для получения высокоурожайных гибридных семян ряда сельскохозяйственных культур. Однако надежных систем на основе ЦМС, которые можно было бы масштабировать для коммерческого производства гибридных семян, пока мало.
Исследование ученых NC State в области сельского хозяйства
Группа исследователей из Университета штата Северная Каролина в сотрудничестве с компаниями Precision BioSciences и Elo Life Systems приступила к проведению новаторского исследования по изучению возможностей редактирования митохондриального генома у растений табака. Табак является широко известным модельным видом в исследованиях растений, что делает его идеальным кандидатом для данного исследования.
Исследователи сосредоточили свое внимание на важнейшем митохондриальном гене atp1. Их стратегия заключалась в переносе гена atp1 в ядро растительной клетки. Они поместили этот ген под регуляторный контроль промотора, что обеспечило экспрессию гена во всех клетках, кроме тех, которые отвечают за производство пыльцы. После этого с помощью инструментов редактирования генома они удалили из митохондрий родной ген atp1.
Результат этого эксперимента был поразительным. Модифицированные растения табака выглядели нормально, пока не достигли стадии цветения. В этот момент они не производили пыльцу из-за отсутствия экспрессии перенесенного гена atp1. Кроме того, удаление исходного гена atp1 из митохондриального генома означало, что этот признак будет передаваться по материнской линии, что является важным фактором для крупномасштабного производства гибридных семян.
Неожиданные результаты и их последствия
Исследования не ограничились получением пыльцы. При перекрестном оплодотворении модифицированных растений табака пыльцой обычных растений были получены мелкие пустотелые семена. Эти семена напоминали «бессемянные» варианты, встречающиеся в таких фруктах, как арбузы и виноград. Такой результат был обусловлен выбранным промотором, который подавлял экспрессию не только во время образования пыльцы, но и на ранних стадиях развития семян.
Расширяя горизонты: за пределами табака
Результаты исследования выходят далеко за пределы табачных растений. В настоящее время команда сосредоточилась на разделении результатов для достижения по отдельности либо бесплодия пыльцы, либо признака бессемянности. Они также расширяют свои эксперименты, чтобы включить в них томаты, которые являются близкими родственниками табака. Кроме того, они планируют проверить свой новый признак CMS на зерновых культурах, таких как рис, где производство гибридных семян играет ключевую роль в максимизации урожайности.
Учитывая успех их системы, можно с уверенностью сказать, что эта технология может быть перенесена на различные виды растений, открывая широкие возможности в сельскохозяйственном секторе.
Заключение
Исследование, проведенное учеными NC State и опубликованное в журнале Frontiers in Plant Science, раскрывает огромный потенциал редактирования митохондриального генома. Успешно перенеся жизненно важный ген из одного отсека растительной клетки в другой, они проложили путь к инновациям, которые могут изменить будущее сельского хозяйства и заменить качество фермерских продуктов. Применение таких технологий может привести к созданию устойчивых и эффективных методов ведения сельского хозяйства, обеспечивающих продовольственную безопасность и экономический рост.
