I ricercatori della North Carolina State University sono riusciti a trasferire con successo un importante gene da un compartimento di una cellula vegetale a un altro per produrre piante di tabacco prive di polline e semi vitali, mentre altrimenti crescevano normalmente. Le loro scoperte potrebbero portare a modi migliori per produrre semi ibridi per massimizzare la produttività delle colture o per introdurre l’assenza di semi in specie di frutta prive della caratteristica spesso desiderata, come lamponi, more o uva moscatina.
I ricercatori hanno iniziato il lavoro nella parte di una cellula che produce energia, i mitocondri. Nelle piante, le aberrazioni all’interno del genoma mitocondriale possono essere associate all’incapacità di produrre polline, un tratto noto come sterilità maschile citoplasmatica (CMS) che è stato sfruttato con successo per la produzione di semi ibridi ad alto rendimento in molte colture importanti. Tuttavia, i sistemi naturali basati su CMS che sono sufficientemente robusti da facilitare la produzione di semi ibridi su scala commerciale sono limitati.
Nel loro studio di prova, i ricercatori dell’NC State, insieme ai colleghi di Precision BioSciences e Elo Life Systems, hanno implementato una strategia unica per verificare se il tratto CMS potesse essere generato nel tabacco, una specie modello comunemente usata nella ricerca sulle piante. I ricercatori inizialmente hanno preso un gene mitocondriale essenziale chiamato atp1 e lo hanno spostato nel nucleo dopo averlo posto sotto il controllo regolatore di un elemento – noto come promotore – che, secondo le loro previsioni, avrebbe consentito al gene atp1 trasferito di esprimersi in ogni cellula del corpo. la pianta ad eccezione di quelle responsabili della produzione del polline. I ricercatori hanno quindi utilizzato strumenti di modifica del genoma per rimuovere permanentemente il gene atp1 nativo dai mitocondri.
Il loro approccio ha avuto successo.
“I risultati hanno superato le nostre aspettative”, ha affermato Ralph Dewey, professore Philip Morris di Crop Science presso NC State e autore corrispondente di un articolo che descrive la ricerca. “Le piante sembravano completamente normali finché non hanno iniziato a fiorire, ma poi non sono riuscite a produrre polline perché il gene atp1 trasferito non era più espresso. È importante sottolineare che, poiché il gene atp1 originale è stato cancellato dal genoma mitocondriale, il tratto verrà ereditato per via materna, che è una considerazione cruciale per la produzione di sementi ibride su larga scala.”
Il polline non è stata l’unica vittima di questa tecnica. Quando furono fecondate in modo incrociato utilizzando il polline di una pianta normale vicina, le loro piante di tabacco produssero inaspettatamente semi piccoli e cavi, molto simili a quelli visti nei popolari frutti “senza semi” come i cocomeri e l’uva.
“Questo perché il promotore che abbiamo scelto non solo non è riuscito ad esprimersi durante la formazione del polline, ma anche durante lo sviluppo iniziale del seme”, ha detto Dewey.
Dewey ha detto che il suo team sta ora lavorando per disaccoppiare questi risultati in modo che i ricercatori possano ottenere l’infertilità da pollini o il tratto senza semi da solo, invece di entrambi allo stesso tempo.
Dewey ha inoltre sottolineato che i risultati non dovrebbero limitarsi alle piante di tabacco. La prossima generazione di esperimenti includerà il test della caratteristica senza semi nel pomodoro, un parente stretto del tabacco. Verranno inoltre testati i nuovi tratti CMS in un cereale come il riso, per testare l’efficacia del loro sistema in una coltura in cui la produzione di semi ibridi è importante per ottenere i massimi rendimenti.
“Conoscendo il modo in cui funziona il sistema, non c’è motivo di credere che non potremmo trasferire efficacemente la tecnologia ad altre specie vegetali”, ha affermato.
Lo studio appare in Frontiere nella scienza delle piante. Devarshi Selote, H. Carol Griffin, Allison N. Dickey, Derek Jantz, J. Jeff Smith, Anna Matthiadis, Josh Strable, Caitlin Kestell e William A. Smith sono coautori dell’articolo. Il lavoro è stato finanziato in parte da una sovvenzione di Elo Life Systems e sostenuto dal Consorzio di allevamento delle piante dello Stato NC. Dewey e molti altri ricercatori hanno depositato un brevetto sulla nuova tecnica.
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