Исследователи из Токийского университета впервые отредактировали растительную митохондриальную ДНК. Техника mitoTALEN может решить проблемы нехватки митохондриального генетического разнообразия сельскохозяйственных культур. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Plants.

Растительная клетка содержит три разновидности кодирующей ДНК: ядерную, пластидную и митохондриальную. Последние две принадлежат органоидам, вовлеченным в регуляцию энергетического баланса клетки. Согласно гипотезе, оба органоида некогда были свободно живущими организмами, вступили в симбиоз и структурно упростились, оставив, однако, на память ДНК.

Ядерная ДНК была впервые отредактирована в начале 1970-х годов. Хлоропластная ДНК была впервые отредактирована в 1988 году. Митохондриальная ДНК животных была отредактирована в 2008 году. Однако успешных опытов по редактированию митохондриальной ДНК растений до сих пор не было.

Митохондриальный геном заключен в кольцо, содержит гораздо меньше генов и в основном наследуется только от матерей. У животных он представляет собой небольшую молекулу (11–28 тысяч пар оснований), высококонсервативную даже среди эволюционно далеких видов.

Митохондриальный геном растений значительно крупнее — от 20 до 1000 тысяч пар оснований. Его структура намного сложнее: гены дублируются, механизмы реализации генов не совсем ясны, некоторые митохондрии вообще не имеют геномов.

У растений распространено цитоплазматическое мужское бесплодие (CMS). CMS — это редкое явление, вызванное генами митохондрий. Зеленые бобы, свекла, морковь, кукуруза, лук, петуния, рапс, рис, рожь, сорго и подсолнечник можно выращивать в промышленных масштабах с использованием родительского подвида с мужским бесплодием типа CMS. Ранее исследования показали, что у риса и рапса причина CMS кроется в единственном (эволюционно не связанном) гене митохондрий.

Исследователи применили технику mitoTALEN, основанную на работе фермента TALEN, который специфически связывается с определенным участком ДНК и разрезает его. Для узнавания сайта связывания белок несет повторы различных аминокислот. Удаление большинства генов приводит к нарушениям роста и развития, однако удаление гена CMS решает проблему растений. Без гена CMS мужские растения снова становятся плодородными. С помощью методики ученые создали четыре новых линии риса и три новых линий рапса.

«Мы поняли, что добились успеха, когда увидели необычайно вежливое растение риса — оно опустилось в глубоком поклоне», — шутит специалист по молекулярной генетике растений из Токийского университета профессор Синьити Аримура, имея в виду, что выращенное растение согнулось под тяжестью крупных семян.