W nowym badaniu, kierowanym przez Charlesa Underwooda z Instytutu Badań nad Hodowlą Roślin im. Maxa Plancka (MPIPZ) w Kolonii w Niemczech, naukowcy opracowali system generowania klonalnych komórek płciowych w roślinach pomidora i wykorzystali je do projektowania genomów potomstwa. Zapłodnienie klonalnego jaja jednego z rodziców przez klonalny plemnik drugiego rodzica doprowadziło do powstania roślin zawierających pełną informację genetyczną obojga rodziców. Wyniki badania opublikowano obecnie w czasopiśmie Nature Genetics.
Nasiona hybrydowe, łączące dwie różne linie rodzicielskie o określonych korzystnych cechach, są popularne w rolnictwie, ponieważ dają mocne plony o zwiększonej produktywności i są wykorzystywane przez rolników od ponad stu lat.
Zwiększona wydajność mieszańców jest ogólnie znana jako wigor hybrydy lub heterozja i została zaobserwowana u wielu różnych gatunków roślin (i zwierząt). Jednakże efekt heterozji nie utrzymuje się już w kolejnych pokoleniach tych mieszańców ze względu na segregację informacji genetycznej. Dlatego co roku trzeba produkować nowe nasiona hybrydowe, co jest pracochłonnym i kosztownym przedsięwzięciem, które nie sprawdza się w przypadku każdej uprawy.
Jak zatem korzystne cechy zakodowane w genach roślin hybrydowych przenieść na następne pokolenie?
Zazwyczaj nasz materiał genetyczny ulega przetasowaniu podczas mejozy – kluczowego podziału komórek zachodzącego we wszystkich organizmach rozmnażających się płciowo. To przetasowanie, spowodowane losową segregacją chromosomów i rekombinacją mejotyczną, jest ważne w generowaniu nowych i korzystnych konfiguracji genetycznych w naturalnych populacjach i podczas hodowli.
Jednakże, jeśli chodzi o hodowlę roślin, gdy już uzyskasz świetną kombinację, chcesz ją zachować i nie stracić przez ponowne przetasowanie genów. Posiadanie systemu omijającego mejozę i skutkującego powstaniem komórek płciowych (komórek jajowych i plemników), które są genetycznie identyczne z rodzicami, może mieć kilka zastosowań.
W tym badaniu Underwood i jego zespół opracowali system, w którym mejozę zastępują mitozą, czyli prostym podziałem komórek, w najpopularniejszej roślinie warzywnej, pomidorze uprawnym. W tak zwanym systemie MiMe (mitoza zamiast mejozy) podział komórkowy naśladuje mitozę, omijając w ten sposób rekombinację i segregację genetyczną, w wyniku czego powstają komórki płciowe, które są dokładnymi klonami rośliny rodzicielskiej. Koncepcja MiMesystem została wcześniej opracowana przez dyrektora MPIPZ Raphaela Merciera w temacie Arabidopsis i ryżu.
Przełomowym aspektem nowego badania jest to, że po raz pierwszy naukowcy wykorzystali klonalne komórki płciowe do opracowania potomstwa w procesie, który nazywają „projektowaniem genomu poliploidalnego”.
Zwykle komórki płciowe mają zestaw chromosomów podzielony na połowę (u ludzi 46 chromosomów zmniejsza się do 23, u pomidora 24 chromosomy zmniejsza się do 12), podczas gdy komórki płciowe MiMe są klonalne i dlatego to zmniejszenie o połowę zestawu chromosomów nie ma miejsca. Underwood i jego zespół przeprowadzili krzyżówki, co oznaczało, że klonalne jajo z jednej rośliny pomidora MiMe zostało zapłodnione klonalnym plemnikiem z innej rośliny pomidora MiMe. Powstałe rośliny pomidora zawierały pełny repertuar genetyczny obojga rodziców i dlatego składają się z 48 chromosomów. Dlatego wszystkie korzystne cechy obojga hybrydowych rodziców zostały skonsolidowane – zgodnie z projektem – w jednej nowej roślinie pomidora.
Ze względu na bliskie pokrewieństwo genetyczne między pomidorami i ziemniakami zespół Underwooda uważa, że system opisany w tym badaniu można łatwo dostosować do stosowania w przypadku ziemniaków, piątej najcenniejszej rośliny uprawnej na świecie, i potencjalnie innych gatunków roślin uprawnych.
W świetle rosnącej liczby ludności i zmian klimatycznych rozwój wysokowydajnych, zrównoważonych i stabilnych odmian ma kluczowe znaczenie dla długoterminowego zabezpieczenia światowych dostaw żywności. Dlatego niezwykle ważne jest uprawianie roślin wykazujących podwyższoną odporność na choroby i tolerancję na stres. Niezbędne jest innowacyjne podejście do technologii reprodukcji roślin. System MiMe i jego zastosowanie w inżynierii genomu poliploidalnego mogą być obiecującą drogą do sprostania dzisiejszym wyzwaniom rolniczym.
„Jesteśmy naprawdę podekscytowani możliwością wykorzystania klonalnych komórek płciowych do projektowania genomu poliploidalnego. Jesteśmy przekonani, że umożliwi to hodowcom wykorzystanie dalszej heterozji – postępującej heterozy występującej u poliploidów – w kontrolowany sposób” – mówi Charles Underwood .
„Opracowany przez nas system MiMe pomidorów może w przyszłości zostać również wykorzystany jako element produkcji nasion klonalnych – syntetycznej apomiksji. Może to znacznie obniżyć koszty produkcji nasion hybrydowych” – dodaje Yazhong Wang.