I en ny studie publicerad i Nature Genetics , ledd av Charles Underwood från Max Planck Institute for Plant Breeding Research i Köln, Tyskland, etablerade forskare ett system för att generera klonala könsceller i tomatplantor och använde dem för att designa avkommans genom.
Befruktningen av ett klonalt ägg från en förälder av en klonal sperma från en annan förälder ledde till att växter innehöll den fullständiga genetiska informationen från båda föräldrarna.
Hybridfrön, som kombinerar två olika föräldralinjer med specifika gynnsamma egenskaper, är populära inom jordbruket eftersom de ger upphov till robusta grödor med ökad produktivitet och har använts av jordbrukare i mer än hundra år.
Den ökade prestandan hos hybrider är allmänt känd som hybridkraft, eller heterosis, och har observerats i många olika växtarter (och djurarter). Men heteroseffekten kvarstår inte längre i de efterföljande generationerna av dessa hybrider på grund av segregeringen av genetisk information.
Därför måste nya hybridfrön produceras varje år, en arbetsintensiv och dyr ansträngning som inte fungerar bra för varje gröda. Så hur kan de fördelaktiga egenskaperna, kodade i generna från hybridväxter, överföras till nästa generation?
Vanligtvis genomgår vårt genetiska material ombildning under meios - en avgörande celldelning som sker i alla sexuellt reproducerande organismer. Denna omflyttning, på grund av slumpmässig segregering av kromosomer och meiotisk rekombination, är viktig för att generera nya och fördelaktiga genetiska konfigurationer i naturliga populationer och under avel.
Men när det kommer till växtförädling, när du väl har en bra kombination vill du behålla den och inte förlora den genom att blanda om generna igen. Att ha ett system som kringgår meios och skulle resultera i könsceller (ägg och spermier) som är genetiskt identiska med föräldrarna kan ha flera tillämpningar.
I denna studie etablerade Underwood och hans team ett system där de ersätter meios med mitos, en enkel celldelning, i den mest populära grönsaksväxten, den odlade tomaten. I det så kallade MiMe-systemet (Mitosis istället för Meiosis) härmar celldelningen en mitos, och undviker därmed genetisk rekombination och segregation och producerar könsceller som är exakta kloner av moderväxten.
Konceptet med MiMe-systemet har tidigare etablerats av Raphael Mercier, chef vid Max Planck Institute for Plant Breeding Research, inom Arabidopsis och ris. En banbrytande aspekt av den nya studien är att forskarna för första gången utnyttjade de klonala könscellerna för att konstruera avkommor genom en process som de kallar "polyploid genomdesign."
Vanligtvis har könsceller en halverad kromosomuppsättning (hos människor minskar 46 kromosomer till 23; hos tomater minskar 24 kromosomer till 12) medan MiMe-könscellerna är klonala och därför sker inte denna halvering av kromosomuppsättningen.
Underwood och hans team utförde korsningar som innebar att det klonala ägget från en MiMe tomatplanta befruktades av en klonal sperma från en annan MiMe tomatplanta. De resulterande tomatplantorna innehöll den fullständiga genetiska repertoaren från båda föräldrarna – och består därmed av 48 kromosomer.
Därför är alla gynnsamma egenskaper från båda hybridföräldrarna konsoliderade – genom design – i en ny tomatplanta. På grund av det nära genetiska förhållandet mellan tomater och potatis, tror teamet kring Underwood att systemet som beskrivs i denna studie lätt kan anpassas för användning i potatis, världens femte mest värdefulla växtväxt, och potentiellt andra grödor.
Med tanke på stigande befolkningssiffror och klimatförändringar är utvecklingen av högavkastande, hållbara och stabila sorter avgörande för att säkra världens livsmedelsförsörjning på lång sikt. Därför är det viktigt att odla växter som uppvisar ökad sjukdomsresistens och stresstolerans. Innovativa tillvägagångssätt för växtreproduktionsteknik är avgörande.
MiMe-systemet och dess tillämpning inom polyploid genomteknik kan vara en lovande väg för att tackla dagens jordbruksutmaningar.
"Vi är verkligen glada över möjligheten att använda klonala könsceller för att utföra polyploid genomdesign. Vi är övertygade om att detta kommer att göra det möjligt för uppfödare att ta bort ytterligare heteros – den progressiva heteros som finns i polyploider – på ett kontrollerat sätt", säger Underwood.
"Tomat MiMe-systemet som vi har etablerat skulle också kunna användas som en komponent i produktion av klonfröer – syntetisk apomixis – i framtiden. Detta kan kraftigt minska kostnaderna för att producera hybridfrön", tillägger Yazhong Wang.
Mer information: Yazhong Wang et al, Utnyttja klonala gameter i hybridgrödor för att konstruera polyploida genom, Nature Genetics (2024). DOI:10.1038/s41588-024-01750-6
Journalinformation: Naturgenetik
Tillhandahålls av Max Planck Society
