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

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

Převzato z: