Manipularea ADN-ului mitocondrial al plantelor ar putea stimula diversitatea culturilor

ADN-ul nuclear a fost editat pentru prima oară la începutul anilor 1970, ADN-ul cloroplast a fost editat pentru prima dată în 1988, iar ADN-ul mitocondrial animal a fost editat în 2008. Cu toate acestea, nici un instrument anterior nu a editat cu succes ADN-ul mitocondrial al plantei. Cercetătorii au folosit această tehnică pentru a crea patru noi linii de orez şi trei noi linii de rapiţă (canola). Shinichi Arimura, expert în genetica moleculară a plantelor de la Universitatea din Tokyo, a condus aceste studii, la care au contribuit şi oameni de ştiinţă de la Universitatea Tohoku şi Universitatea Tamagawa.

Cercetătorii speră să folosească tehnica pentru a aborda lipsa curentă a diversităţii genetice mitocondriale în culturi, un punct extrem de vulnerabil în alimentaţia noastră. Pentru a înţelege mai bine cât de serioasă este această problemă, trebuie amintit că în 1970 o infecţie fungică a afectat culturile de porumb din statul american Texas şi a fost exacerbată de o genă din mitocondriile de porumb. Orice porumb din ferme avea aceeaşi genă, astfel încât nici unul nu era rezistent la această infecţie. Cincisprezece procente din întreaga recoltă de porumb americană a fost compromisă în acel an. Porumbul cu acea genă mitocondrială specifică nu a mai fost plantat de atunci.

"Suntem expuşi unui risc alimentar foarte mare pentru că există atât de puţine genomuri mitocondriale de plante la nivel mondial. De aceea ne-am propus să folosim capacitatea noastră de a manipula ADN-ul mitocondrial al plantelor pentru a adăuga diversitate", a declarat profesorul Arimura.

Plante fără polen

Majoritatea fermierilor nu păstrează seminţele din recolta lor pentru a replanta sezonul viitor. Plantele hibride, descendenţii primei generaţii din două subspecii parentale diferite genetic, sunt de obicei mai rezistente şi mai productive. Pentru a asigura agricultorilor seminţe proaspete de primă generaţie în fiecare sezon, companiile produc seminţe printr-un proces separat de ameliorare, folosind două subspecii diferite de linii parentale. Unul dintre aceşti părinţi este bărbat infertil ce nu poate produce polen.

Cercetătorii se referă la un tip comun de infertilitate de sex masculin ca sterilitate masculină citoplasmatică (SMC). Acesta este un fenomen rar, dar natural, cauzat în principal de genele care nu sunt în nucleul celulelor, ci mai degrabă de mitocondrii. Fasolea verde, sfecla, morcovii, porumbul, ceapa, rapiţa, orezul, secara, sorgul şi floarea-soarelui pot fi cultivate comercial utilizând subspecii având un părinte mascul cu infertilitate de tip SMC.

Mitocondriile conţin ADN complet separat de ADN-ul celular, care este stocat în nucleu. ADN-ul nuclear este materialul genetic dublu-helix lung moştenit de la ambele linii parentale. Genomul mitocondrial este circular, conţine mult mai puţine gene şi este moştenit numai pe linie maternă. Genomul mitocondrial animal este o moleculă relativ mică, conţinută într-o singură structură circulară, cu o conservare remarcabilă între specii. Prin comparaţie, genomul mitocondrial al plantelor este imens, structura este mult mai complicată, genele sunt uneori duplicate, mecanismele expresiei genei nu sunt bine înţelese şi unele mitocondrii nu au genomi deloc.

Manipularea ADN-ului mitocondrial

Pentru a găsi o modalitate de a manipula genomul complex mitocondrial al plantei, Arimura şi echipa sa a studiat sistemele SMC din orez şi rapiţă. Cercetări anterioare sugerau că în ambele specii de plante, cauza sterilităţii masculine citoplasmatice era pusă pe seama unei singure gene mitocondriale, independentă evolutiv.

Cercetătorii japonezi au adaptat o tehnică utilizată pentru editarea genomului mitocondrial al celulelor animale, utilizând o singură proteină pentru a localiza genomul mitocondrial, după care au tăiat ADN-ul la gena dorită şi au şters-o. "În timp ce ştergerea majorităţii genelor creează probleme, ştergerea unei gene SMC rezolvă o problemă pentru plante. Fără gena SMC, plantele sunt din nou fertile", a constatat Shinichi Arimura.

Cele patru linii noi de orez şi trei noi linii de rapiţă (canola) pe care cercetătorii japonezi le-au creat sunt o dovadă a conceptului potrivit căruia sistemul dezvoltat poate manipula cu succes chiar şi genomul mitocondrial complex al plantelor. Acesta este doar un prim pas important pentru cercetarea mitocondriala a plantelor. Cercetătorii vor studia în continuare genele mitocondriale responsabile de infertilitatea plantelor masculine în detaliu pentru a identifica mutaţii posibile care ar putea crea o diversitate mai mare la culturile agricole.