برای اولین بار، محققان ژاپنی موفق به ایجاد تغییر در DNA میتوکندری گیاهی شدند. این تغییرات می تواند به تولید مطمئن تر مواد غذایی منجر شود. DNA هسته ای در اوایل دهه ی ۱۹۷۰، DNA کلروپلاست در سال ۱۹۸۸ و DNA میتوکندری حیوانی در سال ۲۰۰۸ برای اولین بار دستکاری شدند؛ با این وجود تاکنون هیچ ابزاری موفق به ویرایش DNA میتوکندریایی گیاهی نشده بود.
محققان از تکنیکی برای ایجاد چهار خط جدید برنج و سه خط جدید rapeseed (گیاه کنولا) استفاده کردند. پروفسور مربوط به شین-ایچی آریمورا (Shin-ichi Arimura) در مورد خم شدن گیاه برنج بارور زیر سنگینی وزن دانه ها شوخی می کند: «ما فهمیدیم موفق شدیم وقتی دیدیم گیاه برنج مؤدب تر شده و سر تعظیم فرو آورده است»
آریمورا در دانشگاه توکیو، متخصص ژنتیک مولکولی گیاهی است و نتایج تیم تحقیقاتی آن ها در مجله ی طبیعت گیاهان (Nature Plants) منتشر می شود. تیم های تحقیقاتی در دانشگاه‌های توهوکو و تاماگاوا نیز با آن‌ها همکاری می کنند.
تنوع ژنتیک برای عرضه ی مواد غذایی
در حال حاضر مشکلاتی مربوط به تنوع ژنی میتوکندریایی در محصولات کشاورزی وجود دارند که موجب ضعف بزرگی در عرضه ی مواد غذایی شده اند. محققان امیدوارند بتوانند از این تکنیک در جهت رفع این مشکلات استفاده کنند. در سال ۱۹۷۰، یک عفونت قارچی در مزرعه های ذرت تگزاس گسترش پیدا کرد که توسط یک ژن میتوکندریایی ذرت تشدید می‌شد. از آن جایی که تمامی ذرت های مزرعه ها این ژن را داشتند، هیچ کدام در برابر عفونت مقاومت نداشتند و همگی از بین رفتند. در آن سال، ۱۵٪ تمامی ذرت های آمریکایی از بین رفتند و از آن زمان دیگر ذرت هایی با آن ژنتیک میتوکندریایی کاشته نشدند.
آریمورا می گوید: «ما اکنون نیز در خطر بزرگی هستیم زیرا تعداد بسیار کمی از ژن های میتوکندریایی گیاهی در دنیا مورد استفاده قرار گرفته اند. ما قصد داریم از تواناییمان به جهت دستکاری DNA میتوکندری گیاهان استفاده کنیم تا تنوع ژنی در آن ها ایجاد کنیم.»
گیاهان بدون گرده
بیشتر کشاورزان از دانه های بدست آمده از برداشت برای کاشت مجدد در سال آینده استفاده نمی‌کنند. گیاهان دورگه (hybrid)، اولین نسل فرزندان با دو زیرگونه والدین متفاوت از لحاظ ژنتیکی هستند. این گیاهان معمولا بادوام تر و پربارتر هستند.
شرکت های عرضه ی کشاورزی وجود دارند که دانه ها را طی فرآیند جداگانه ای از دو والد با زیرگونه متفاوت پرورش می‌دهند و در اختیار کشاورزان قرار می دهند تا مطمئن شوند کشاورزان هر فصل بذرهای دورگه ی تازه و نسل اول را در اختیار دارند. یکی از آن والدین، نر نابارور می‌باشد که توانایی تولید دانه گرده را ندارد. محققان به تیپ رایج گیاه نر نابارور، به عنوان ناباروری سیتوپلاسمی نر(CMS) اشاره می کنند. CMS نادر است اما به صورت پدیده ای طبیعی رخ می دهد که عامل آن ژن هایی است که در هسته نیستند بلکه در میتوکندری است.
لوبیا، چغندر، هویج، ذرت، پیاز، پتونیا، روغن کلزا (کنولا)، برنج، چاودار، سورگوم و آفتابگردان هنگامی که هنوز نرسیده اند را می توان با استفاده از والدین زیرگونه های متفاوت با تیپ CMS نابارور نر، به صورت تجاری پرورش داد.
فراتر از سبز
گیاهان از نور خورشید طی فتوسنتز به وسیله ی رنگدانه های سبز کلروپلاست، برای تولید انرژی استفاده می کنند. به هر حال، شهرت کلروپلاست زبانزد است. بر طبق گفته‌ی آریمورا: « بیشتر گیاهان به جز برگ‌های هوایی، سبز نیستند. و بسیاری از گیاهان برای نیمی از سال بی‌برگ هستند.»
میتوکندری حاوی DNA ای کاملا مجزا از DNA اصلی هسته ای سلول می‌باشد. DNA هسته ای یک DNA بلند دورشته‌ای مارپیچی است که محتوای ژنتیکی آن از هر دو والد به ارث رسیده است. ژنوم میتوکندری حلقوی‌ست و شامل ژن‌های بسیار کمتری‌ست و به صورت اولیه از مادر به ارث می‌رسد.
ژنوم میتوکندریایی حیوانی یک مولکول نسبتا کوچک است که شامل یک ساختار تک رشته‌ای حلقوی و با حفاظت قابل توجه بین گونه‌ای است. آریمورا می گوید: « حتی ژنوم میتوکندریایی یک ماهی هم مشابه ژنوم میتوکندریایی انسان است.»
اما ژنوم میتوکندریایی گیاهی داستان متفاوتی دارند. آریمورا می‌گوید: « ژنوم میتوکندریایی گیاهی در مقایسه با حیوانی بسیار بزرگ است و ساختار آن بسیار پیچیده‌تر است؛ ژن‌های آن گاها دوبار تکرار شده است، مکانیسم بیان ژنی آن هنوز به طور کامل شناخته نشده است و بعضی از میتوکندری‌ها هیچ ژنی ندارند؛ براساس مطالعات قبلی، ما مشاهده کردیم که این میتوکندری‌هایی که هیچ ژنی ندارند، با دیگر میتوکندری‌ها جوش پیدا می‌کنند و محصولات پروتئینی را تبادل کرده و سپس جدا می شوند.»
دستکاری DNA میتوکندریایی گیاهی
برای یافتن راهی برای دستکاری ژنوم پیچیده میتوکندریایی گیاهی، آریمورا به همکارانی که با سیستم‌های CMS در برنج و کلزا آشنا بودند، روی آورد. تحقیقات پیشین به شدت نشان می‌دهد که در هردو گیاه، علت CMS یک تک ژن میتوکندریایی بی ارتباط و تکامل یافته در برنج و کلزا بوده است.
تیم آریمورا تکنیکی که قبلا برای دستکاری ژنوم میتوکندریایی حیوانی استفاده می‌شد را انطباق داد. این تکنیک که به نام mitoTALEN شناخته می‌شود، از یک پروتئین برای جای‌گیری بر روی ژنوم میتوکندریایی، بریدن DNA در ناحیه ژن دلخواه و حذف آن ژن استفاده می‌شود. آریمورا می‌گوید: « در حالی که حذف بیشتر ژن‌ها مشکلاتی به وجود می‌آورد، حذف ژن های CMS یک مشکل را در گیاه حل می‌کند و گیاه دوباره بارور می‌شود.»
هر چهار راه جدید باروری برنج و هر سه راه جدید کلزا که محققان به وجود آورده‌اند، منجر به اثبات این دیدگاه می شوند، که سیستم های mitoTALEN می توانند با موفقیت ژن‌های پیچیده‌ی میتوکندریایی گیاهی را دستکاری کنند. طبق گفته‌ی آریمورا « این اولین قدم مهم برای تحقیقات میتوکندری گیاهی است».
محققان در آینده باید با جزئیات بیشتر بر ژن‌های میتوکندریایی عامل ناباروری نر گیاهان مطالعه کنند و پتانسیل‌های جهشی که موجب تنوع بیش از حد نیاز می‌شوند را شناسایی کنند.
