核DNA在20世紀(jì)70年代初首次編輯，葉綠體DNA于1988年首次編輯，動(dòng)物線粒體DNA于2008年編輯。然而，植物線粒體DNA之前卻沒(méi)有被成功編輯過(guò)。直到近日，日本的研究人員首次成功編輯了植物線粒體DNA，這可能會(huì)帶來(lái)更安全的食物供應(yīng)。

       領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的東京大學(xué)分子植物遺傳學(xué)家、助理教授Shin-ichi Arimura開(kāi)玩笑地說(shuō)：“當(dāng)看到水稻植株‘更有禮貌’時(shí)，我們知道自己取得了成功。因?yàn)樗钌畹鼐狭艘还?，穗多的水稻才?huì)出現(xiàn)這樣的彎曲。”

       研究人員希望利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)解決目前作物中線粒體遺傳多樣性缺乏的問(wèn)題，這是食物供應(yīng)中潛在的破壞性弱點(diǎn)。他們還利用該技術(shù)創(chuàng)造了4個(gè)水稻新品種和3個(gè)油菜新品種。相關(guān)成果發(fā)表于《自然—通訊》。

       植物線粒體基因組意味著什么？

       1970年，一種真菌感染了美國(guó)得克薩斯州農(nóng)場(chǎng)的玉米，之后又因玉米線粒體的一個(gè)基因而導(dǎo)致感染加劇。農(nóng)場(chǎng)上所有玉米都有相同的基因，因此沒(méi)有一個(gè)對(duì)這次感染有抵抗力。那一年，整個(gè)美國(guó)15%的玉米絕收。從那以后，美國(guó)再也沒(méi)有種植具有該特定線粒體基因的玉米。

       “我們現(xiàn)在仍然面臨很大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槭澜缟峡衫玫闹参锞€粒體基因組太少了。我想通過(guò)我們的技術(shù)操縱植物線粒體DNA來(lái)增加作物的多樣性。”Arimura表示。

       現(xiàn)在，大多數(shù)農(nóng)民都不會(huì)從收獲的作物中留種。農(nóng)業(yè)公司供應(yīng)的雜交作物是兩個(gè)遺傳上不同的親本亞種的代后代，通常更強(qiáng)壯、更有生產(chǎn)力。其中一個(gè)父本不能制造花粉。研究人員將常見(jiàn)類型的植物雄性不育稱為細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMS）。

       CMS是一種罕見(jiàn)但天然存在的現(xiàn)象，主要由線粒體引起。甜菜、胡蘿卜、玉米、黑麥、高粱等都可以利用CMS的親本亞種進(jìn)行商業(yè)化種植。

       植物通過(guò)葉綠體中的光合作用產(chǎn)生大部分能量。然而，根據(jù)Arimura的說(shuō)法，“葉綠體的作用被高估了”。植物通過(guò)和動(dòng)物細(xì)胞一樣的“細(xì)胞發(fā)電站”獲得能量，也就是線粒體。在他看來(lái)，“沒(méi)有植物線粒體就沒(méi)有生命”。

       “植物線粒體基因組比較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，基因有時(shí)是重復(fù)的，基因表達(dá)機(jī)制尚不清楚，有些線粒體完全沒(méi)有基因組。在之前的研究中，我們觀察到它們與其他線粒體融合以交換蛋白質(zhì)產(chǎn)物，然后再次分離。”Arimura說(shuō)。

       為了找到一種操縱復(fù)雜植物線粒體基因組的方法，Arimura和熟悉水稻、油菜CMS系統(tǒng)的科學(xué)家進(jìn)行合作。之前的研究表明，在這兩種植物中，造成CMS的原因是水稻和油菜中單一的、進(jìn)化上不相關(guān)的線粒體基因。

       研究團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為mitoTALENs的技術(shù)，使用單一蛋白質(zhì)定位線粒體基因組，將DNA切割成所需基因，并將其刪除。Arimura 表示，“雖然刪除大多數(shù)基因會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但刪除CMS基因會(huì)解決植物存在的問(wèn)題。如果沒(méi)有CMS基因，植物就會(huì)再次繁殖。”

       他們創(chuàng)造出了4個(gè)水稻新品種和3個(gè)油菜新品種，證明了mitoTALENs技術(shù)甚至可以成功操縱復(fù)雜的植物線粒體基因組。

       Arimura說(shuō)：“這是植物線粒體研究重要的步。”研究人員將更詳細(xì)地研究負(fù)責(zé)植物雄性不育的線粒體基因，并確定可能增加急需多樣性的潛在突變。