Los investigadores en Japón han editado ADN mitocondrial de plantas por primera vez, lo que podría conducir a un suministro de alimentos más seguro.
El ADN nuclear se editó por primera vez a principios de la década de 1970, el ADN del cloroplasto se editó por primera vez en 1988 y el ADN mitocondrial animal se editó en 2008. Sin embargo, ninguna herramienta editó con éxito el ADN mitocondrial de las plantas.
Los investigadores utilizaron su técnica para crear cuatro nuevas líneas de arroz y tres nuevas líneas de colza canola.
"Sabíamos que teníamos éxito cuando vimos que la planta de arroz era más cortés, tenía un arco profundo", dijo el profesor asociado Shin-ichi Arimura, bromeando acerca de cómo una planta de arroz fértil se dobla bajo el peso de semillas pesadas.
Arimura es experto en genética molecular de plantas en la Universidad de Tokio y dirigió el equipo de investigación, cuyos resultados se publicaron en Nature Plants. Los colaboradores de la Universidad de Tohoku y la Universidad de Tamagawa también contribuyeron a la investigación.
Diversidad genética para el suministro de alimentos
Los investigadores esperan utilizar la técnica para abordar la actual falta de diversidad genética mitocondrial en los cultivos, un punto débil potencialmente devastador en nuestro suministro de alimentos.
En 1970, una infección por hongos llegó a las granjas de maíz de Texas y fue exacerbada por un gen en las mitocondrias del maíz. Todo el maíz en las granjas tenía el mismo gen, por lo que ninguno era resistente a la infección. Quince por ciento de toda la cosecha de maíz estadounidensefue asesinado ese año. El maíz con ese gen mitocondrial específico no se ha plantado desde entonces.
"Todavía tenemos un gran riesgo ahora porque hay muy pocos genomas mitocondriales de plantas utilizados en el mundo. Me gustaría utilizar nuestra capacidad para manipular el ADN mitocondrial de las plantas para agregar diversidad", dijo Arimura.
Plantas sin polen
La mayoría de los agricultores no guardan semillas de su cosecha para replantar el año próximo. Las plantas híbridas, la descendencia de primera generación de dos subespecies genéticamente diferentes, generalmente son más resistentes y más productivas.
Para garantizar que los agricultores tengan semillas híbridas frescas de primera generación cada temporada, las compañías de suministros agrícolas producen semillas a través de un proceso de mejoramiento separado utilizando dos subespecies de padres diferentes. Uno de esos padres es infértil masculino, no puede producir polen.
Los investigadores se refieren a un tipo común de infertilidad masculina vegetal como la esterilidad masculina citoplasmática CMS. El CMS es un fenómeno raro pero natural causado principalmente por genes que no están en el núcleo de las células, sino más bien en las mitocondrias.
Las judías verdes, la remolacha, las zanahorias, el maíz, la cebolla, la petunia, el aceite de colza canola, el arroz, el centeno, el sorgo y los girasoles se pueden cultivar comercialmente utilizando subespecies parentales con infertilidad masculina tipo CMS.
más allá del verde
Las plantas usan la luz solar para producir la mayor parte de su energía, a través de la fotosíntesis en cloroplastos pigmentados en verde. Sin embargo, la fama de los cloroplastos está sobrevalorada, según Arimura.
"La mayor parte de una planta no es verde, solo las hojas sobre el suelo. Y muchas plantas no tienen hojas durante la mitad del año", dijo Arimura.
Las plantas obtienen una porción significativa de su energía a través del mismo "centro neurálgico de la célula" que produce energía en las células animales: las mitocondrias.
"Sin mitocondrias vegetales, sin vida", dijo Arimura.
Las mitocondrias contienen ADN completamente separado del ADN principal de la célula, que se almacena en el núcleo. El ADN nuclear es el material genético largo de doble hélice heredado de ambos padres. El genoma mitocondrial es circular, contiene muchos menos genes y se hereda principalmentesolo de madres.
El genoma mitocondrial animal es una molécula relativamente pequeña contenida en una sola estructura circular con notable conservación entre especies.
"Incluso el genoma mitocondrial de un pez es similar al de un humano", dijo Arimura.
Los genomas mitocondriales de las plantas son una historia diferente.
"El genoma mitocondrial de la planta es enorme en comparación, la estructura es mucho más complicada, los genes a veces se duplican, los mecanismos de expresión génica no se comprenden bien y algunas mitocondrias no tienen genomas en absoluto - en nuestros estudios anteriores,observamos que se fusionan con otras mitocondrias para intercambiar productos proteicos y luego se separan nuevamente ", dijo Arimura.
ADN mitocondrial de plantas manipuladoras
Para encontrar una manera de manipular el complejo genoma mitocondrial de la planta, Arimura recurrió a colaboradores familiarizados con los sistemas CMS en arroz y colza canola. La investigación previa sugirió fuertemente que en ambas plantas, la causa del CMS era una sola, no relacionada evolutivamentegen mitocondrial en arroz y en colza canola: objetivos claros en el desconcertante laberinto de genomas mitocondriales de plantas.
El equipo de Arimura adaptó una técnica que previamente había editado genomas mitocondriales de células animales que crecen en un plato. La técnica, llamada mitoTALEN, utiliza una proteína única para localizar el genoma mitocondrial, cortar el ADN en el gen deseado y eliminarlo.
"Si bien eliminar la mayoría de los genes crea problemas, eliminar un gen CMS resuelve un problema para las plantas. Sin el gen CMS, las plantas son fértiles nuevamente", dijo Arimura.
Las cuatro líneas completamente nuevas de arroz y tres líneas nuevas de colza canola que los investigadores crearon son una prueba de concepto de que el sistema mitoTALEN puede manipular con éxito incluso el complejo genoma mitocondrial de la planta.
"Este es un primer paso importante para la investigación mitocondrial de las plantas", dijo Arimura.
Los investigadores estudiarán los genes mitocondriales responsables de la infertilidad masculina de las plantas con más detalle e identificarán posibles mutaciones que podrían agregar la diversidad que tanto necesitan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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