BIOTRIN je nezisková organizace vytvořená vědeckými
pracovníky pro šíření informací o moderních biotechnologiích.
Je tu pro vaši informaci a jako fórum vašich názorů.

První modifikace rostlinné mitochondriální DNA

Počátky editace DNA sahají do 70. let minulého století, kdy byla poprvé upravena jaderná DNA. Od té doby se vědcům podařilo rozvinout tuto vědní oblast, v roce 1988 editovat DNA z chloroplastů a následně v roce 2008 i živočišnou mitochondriální DNA. Až do letošního roku však nebyla úspěšně editována rostlinná mitochondriální DNA. Žádný z dostupných nástrojů genového inženýrství nedokázal u tohoto druhu DNA, jež je součástí mimojaderné genetické informace, provést cílené změny.

Důvodem je složitá struktura mitochondriální DNA rostlin. Živočišný mitochondriální genom je relativně malá molekula obsažená v jediné kruhové struktuře s pozoruhodným zachováním mezi jednotlivými druhy. Rostlinné mitochondriální genomy jsou však zcela jiným příběhem. Rostlinný mitochondriální genom je ve srovnání s živočišným obrovský, jeho struktura je mnohem komplikovanější, geny jsou někdy duplikovány, mechanismy genové exprese nejsou dobře známy a některé mitochondrie nemají genomy vůbec.

Japonští vědci z University of Tokyo se zaměřili na problematiku úprav mitochondriální DNA s cílem vyřešit problém neplodnosti rostlin, tzv. cytoplazmatické samčí sterility (angl. cytoplasmic male sterility, CMS) - vzácného, ale přirozeně se vyskytujícího jevu u rostlin způsobeného primárně mitochondriálními geny. Pomocí transkripčních aktivátorových efektorových nukleáz (TALENs) s mitochondriálními lokalizačními signály (mitoTALENs) vytvořili čtyři nové linie rýže a tři nové linie řepky. Rýže a řepka byly do studie vybrány na základě výsledků předchozích výzkumů, které naznačovaly, že příčinou CMS jsou v obou rostlinách konkrétní, evolučně nesouvisející mitochondriální geny. Díky tomu se vědcům otevřela cesta, kudy vést další experimenty.

Technika mitoTALENs používá jediný protein k nalezení mitochondriálního genomu, rozštěpení požadovaného místa DNA a odstranění cílového genu. Pomocí této metody došlo v rýži i řepce ke knock-outu dvou genů orf79 a orf125 spojených s CMS. Na geny orf79 a orf125 se vědci zaměřili z důvodu, že CMS jim bývá u rostlin připisována, ale žádný z nich nebyl dosud ověřen přímou modifikací. Následné sekvenování odhalilo, že dvouřetězcové zlomy indukované mitoTALENs byly opraveny homologní rekombinací a že během tohoto procesu byly cílové geny a okolní sekvence odstraněny. Výsledky tak ukazují, že mitoTALENs lze použít ke stabilní a dědičné modifikaci mitochondriálního genomu rostlin.

Úspěšně editované rostliny jsou oproti běžným rostlinám snadno rozlišitelné pouhým okem, mnohem více se totiž ohýbají pod tíhou semen. Vědci situaci zlehčují a tvrdí, že průkaz jejich úspěchu dokazuje větší zdvořilost rostliny, která se jim hluboce uklání.

Vědci by techniku mitoTALENs rádi využili k řešení současného nedostatku mitochondriální genetické rozmanitosti plodin, což je podle nich potenciální slabou stránkou v celosvětovém zásobování potravinami. Tento nedostatek současných plodin demonstrují na příkladu texaské kukuřice, která byla v roce 1970 napadena plísní, a celá infekce byla zhoršena jedním konkrétním genem přítomným v kukuřičných mitochondriích. Všechna kukuřice měla tento gen stejný, díky čemuž nebyla odolná vůči infekci. Toho roku došlo ke ztrátě 15 % veškeré americké kukuřice. Od té doby nebyla kukuřice s tímto specifickým mitochondriálním genem vyseta.

Výsledky výzkumu jsou důležitým prvním krokem výzkumu mitochondriálních editací rostlin. V budoucnu se budou japonští výzkumníci soustředit podrobněji na geny odpovědné za neplodnost rostlin a na identifikaci potenciálních mutací, které by mohly rostlinám přidat onu tolik potřebnou mitochondriální rozmanitost.

 

Zdroje:

https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00057.html (též zdroj obrázku)

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