Frontiers in Plant Science: Ученые создали растения, неспособные размножаться

Исследователи Университета штата Северная Каролина успешно перенесли важный ген из одного отсека растительной клетки в другой для получения растений табака, у которых отсутствует пыльца и жизнеспособные семена при нормальном развитии.

Полученные ими результаты могут привести к созданию более совершенных способов производства гибридных семян для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур или к внедрению бессемянности в плодовые виды, не обладающие этим часто желаемым признаком, такие как малина, ежевика или мускатный виноград.

Исследователи начали работу с энергопродуцирующей части клетки — митохондрии. У растений аберрации в митохондриальном геноме могут быть связаны с неспособностью образовывать пыльцу — признак, известный как цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС), который успешно используется для получения высокоурожайных гибридных семян многих важных сельскохозяйственных культур. Однако естественные системы на основе ЦМС, достаточно надежные для производства гибридных семян в коммерческих масштабах, ограничены.

В своем исследовании NC State совместно с коллегами из Precision BioSciences и Elo Life Systems применили уникальную стратегию для проверки возможности создания признака ЦМС у табака, широко используемого в качестве модельного вида в исследованиях растений. Сначала исследователи взяли важный митохондриальный ген atp1 и перенесли его в ядро, поместив под регуляторный контроль элемента, известного как промотор, который, по их прогнозам, позволит перенесенному гену atp1 экспрессироваться во всех клетках растения, кроме тех, которые отвечают за производство пыльцы. Затем исследователи использовали инструменты редактирования генома, чтобы навсегда удалить родной ген atp1 из митохондрий.

Подход оказался успешным.

Результаты превзошли все наши ожидания, — сказал Ральф Дьюи, профессор кафедры растениеводства имени Филипа Морриса в NC State и соответствующий автор статьи, описывающей это исследование.

Растения выглядели совершенно нормально вплоть до начала цветения, но затем не смогли произвести пыльцу, поскольку перенесенный ген atp1 больше не экспрессировался. Важно отметить, что поскольку исходный ген atp1 был удален из митохондриального генома, этот признак будет наследоваться по материнской линии, что очень важно для крупномасштабного производства гибридных семян.

Пыльца оказалась не единственной жертвой этого метода. При перекрестном оплодотворении пыльцой соседнего нормального растения табачные растения неожиданно дали маленькие полые семена, похожие на те, что встречаются в популярных «бессемянных» фруктах, таких как арбузы и виноград.

Это объясняется тем, что выбранный нами промотор не только не экспрессировался во время образования пыльцы, но и во время раннего развития семян, — сказал Дьюи.

По словам Дьюи, в настоящее время его команда работает над тем, чтобы развязать эти результаты, чтобы исследователи могли добиваться либо бесплодия пыльцы, либо бессемянности, а не того и другого одновременно.

Дьюи также подчеркнул, что полученные результаты не должны ограничиваться растениями табака. Следующее поколение экспериментов будет включать проверку признака бессемянности на томате, близком родственнике табака. Кроме того, они собираются испытать свой новый признак CMS на зерновых культурах, таких как рис, чтобы проверить эффективность своей системы на культурах, где производство гибридных семян важно для достижения максимальных урожаев.

Зная, как работает эта система, нет никаких оснований полагать, что мы не сможем эффективно перенести эту технологию на другие виды растений, — сказал он.

Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Plant Science.

15.09.2023