基因编辑技术革新了遗传学领域，使研究人员能够对各种动植物核、动物线粒体、植物叶绿体等的DNA进行有针对性的改变。然而，直到最近，这份清单上还缺少植物线粒体DNA。为植物线粒体提供必要的编辑酶的工具还没有建立起来。
东京大学的植物分子生物学家Shin-ichi Arimura和同事们已经填补了这一空白，创造了植物友好的mitoTALENs--线粒体靶基因编辑工具，该基因编辑工具基于转录激活因子样编辑核酸酶(TALENs)。
“这是一篇重要的论文，这是首次在植物中证明我们可以对线粒体DNA进行有针对性和可遗传的改变”，Ian Small是一位西澳大利亚大学的植物科学家，他没有参与这项研究。
图：农杆菌携带一种编码基因特异性、带有导向信号的mitoTALEN的质粒感染培养的植物细胞，并将遗传信息有效载荷传递给细胞核(1)，在此处DNA整合到基因组中。编码的mitoTALEN蛋白随后被产生并进入线粒体，删除目标基因的一部分--在这种情况下，一个基因导致雄性不育(2)。所得到的转基因植株能够自交，产生很多种子（3）
常规TALENs由一个DNA结合结构域和一个核酸酶结构域组成，DNA结合区域可以很容易地被设计识别任何DNA序列，而核酸酶结构域则在该位点切割DNA，导致缺失。为了靶向一个线粒体基因，研究小组对一种植物适应的TALEN进行了修饰，使其还包括一个线粒体导向信号，并设计了DNA结合结构域，以识别特定感兴趣的基因。然后，研究人员通过农杆菌将编码mitoTALENs的质粒转移到植物中，这是植物遗传学家使用的一种常见策略。
在原理证明实验中，研究人员设计了两个mitoTALENs，分别靶向特定的线粒体基因：水稻中的orf 79和油菜中的orf 125。由此产生的缺失使研究人员能够确认这些基因在雄性不育中的作用，雄性不育是一种自然现象，阻止了某些两性植物的自我受精，从而促进了杂种种子的发育。研究小组显示，在这两种植物中，缺失功能的基因恢复了自我受精。
这些雄性不育基因，在某些植物的母系遗传线粒体中，对于生产“生长更快、产量更高、更抗疾病”的杂交作物的农学家来说是可取的。因此，一般来说，我们的目标是激活这些基因，或者将它们导入缺乏这些基因的作物中，而不是像Arimura的团队所做的那样删除它们。
马克斯·普朗克分子植物生理学研究所的成员，植物生理学家Ralph Bock说，虽然植物线粒体基因编辑的“圣杯”还不能实现，但这项研究是“重要的第一步”。同时，他补充道，“人们可以利用这项技术来提出有关线粒体基因功能的问题。”（Nat Plants, 5:722–30, 2019）
参考文献：
https://www.the-scientist.com/modus-operandi/gene-editing-reaches-plant-mitochondria-67161
https://www.nature.com/articles/s41477-019-0459-z
译文校稿：LuLu
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