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日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA DNA

发布时间:2019-07-30 18:13 来源:技术力量点击 :
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原文标题:日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA
原文发布时间:2019-07-09 06:00:00
原文作者:技术力量。
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日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA

日本的研究人员首次成功地编辑了植物线粒体DNA,左为抽穗的水稻,右为不育的水稻

日本的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。

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,之前没有人成功编辑过植物线粒体DNA。

日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA

东京大学的植物分子遗传学专家有村慎一

东京大学的植物分子遗传学专家有村慎一(Shin-ichi Arimura)团队利用这种技术创造了四种新的水稻品种和三种新的油菜籽。

有村慎一打趣的说:“当我们看到水稻植物形状‘更有礼貌时’,我们知道我们取得了成功,它有一个很深的弓。麦穗多的水稻植物会出现弯曲。”

有村慎一成果发表在《自然·植物》(Nature Plants)期刊上。日本东北大学和多摩川大学的合作者也为这项研究做出了贡献。

食物供应的遗传多样性

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的缺乏问题,这是我们食物供应中潜在的破坏性弱点。

1970年,德克萨斯州的玉米遭受了真菌感染,玉米线粒体中的一个基因加剧了这种感染。农场上的所有玉米都有相同的基因,因此没有一个对感染有抵抗力。那一年,整个美国玉米作物中有15%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。

有村慎一说:“我们现在仍然面临很大的风险,因为世界上使用的植物线粒体基因组很少。我想利用我们的技术操纵植物线粒体DNA来增加作物的多样性。”

没有花粉的植物

现在,大多数农民都不会从收获中的作物提取种子进行补种。杂交植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。

为了确保农民每个季节都有新鲜的第一代杂交种子,农业供应公司通过使用两个不同的亲本亚种的单独育种过程来生产种子。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症称为细胞质雄性不育(CMS)。细胞质雄性不育是一种罕见但天然存在的现象,主要由线粒体引起。

绿豆,甜菜,胡萝卜,玉米,洋葱,矮牵牛,油菜籽,大米,黑麦,高粱和向日葵可以使用具有细胞质雄性的亲本亚种进行商业种植。

日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA

拟南芥叶表皮细胞中的植物线粒体在细胞周围快速移动

超越叶绿体

植物利用阳光通过叶绿体中的光合作用产生大部分能量。然而,根据有村慎一的说法,叶绿体的作用被高估了。

他说:“大部分植物都不是绿色的,许多植物大半年都没有叶子。”

植物通过和动物细胞一样的“细胞能量”获得能量,也就是线粒体。有村慎一认为:“没有植物线粒体就没有生命。”

线粒体含有与细胞主要DNA完全分离的DNA,后者存储在细胞核中。核DNA是从父母双方遗传下来的长双螺旋遗传物质。线粒体基因组是圆形的,含有少得多的基因,并且主要只由母亲遗传而来。

动物线粒体基因组是一个相对较小的分子,包含在一个单一的圆形结构中,动物物种之间具有显著的保守性。

有村慎一说:“甚至一条鱼的线粒体基因组也与人类相似。”

日本研究人员首次成功编辑了植物线粒体DNA

动物细胞和植物细胞内均有线粒体,但结构不同

植物线粒体基因组和动物线粒体不同。有村慎一说:“植物线粒体基因组比较大,结构复杂得多,基因有时复制,基因表达机制尚不清楚,有些线粒体完全没有基因组。在我们之前的研究中,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。“

操纵植物线粒体DNA

为了找到一种操纵复杂植物线粒体基因组的方法,有村慎一和熟悉水稻和油菜籽细胞质雄性不育系统的科学家合作进行研究。

先前的研究强烈表明,在这两种植物中,造成细胞质雄性不育的原因是水稻和油菜籽中单一的,进化上无关的线粒体基因。

有村慎一的团队采用了一种为mitoTALENs的技术,它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。有村慎一说:“虽然删除大多数基因会产生问题,但删除细胞质雄性不育基因会解决植物存在的问题。如果没有细胞质雄性不育基因,植物就会再次繁殖。”

研究人员创造出了四个新系列的水稻和三个新的油菜籽品种证明了mitoTALENs技术甚至可以成功操纵复杂的植物线粒体基因组。

有村慎一说:“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。


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原文发布时间:2019-07-09 06:00:00
原文作者:技术力量。

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