北卡罗来纳州立大学的研究人员已经成功地将一个重要的基因从一个植物细胞的一个隔间转移到另一个隔间，从而生产出缺乏花粉和可存活种子的烟草植株，而其他方面生长正常。他们的发现可能会带来更好的方法来生产杂交种子，以最大限度地提高作物产量，或者在缺乏通常期望的性状的水果物种中引入无籽，比如覆盆子、黑莓或麝香葡萄。
研究人员从细胞中产生能量的部分线粒体开始研究。在植物中，线粒体基因组的畸变可能与无法产生花粉有关，这一特性被称为细胞质雄性不育(CMS)，已成功地用于许多重要作物的高产杂交种子的生产。然而，足以促进商业规模杂交种子生产的基于cms的自然系统是有限的。
在他们的概念验证研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员与来自Precision BioSciences和Elo Life Systems的同事一起，采用了一种独特的策略来测试是否可以在烟草中产生CMS性状，烟草是植物研究中常用的模式物种。研究人员最初提取了一种叫做atp1的线粒体基因，并将其置于一种被称为启动子的元件的调控控制下，将其移至细胞核。他们预测，这种元件将允许转移的atp1基因在植物的每个细胞中表达，除了那些负责产生花粉的细胞。然后，研究人员使用基因组编辑工具从线粒体中永久去除天然的atp1基因。
他们的方法很成功。
“结果超出了我们的预期，”拉尔夫·杜威说，他是北卡州立大学菲利普·莫里斯作物科学教授，也是一篇描述这项研究的论文的通讯作者。“这些植物在开始开花之前看起来完全正常，但后来却无法产生花粉，因为转移的atp1基因不再表达。重要的是，由于原始的atp1基因从线粒体基因组中删除，该性状将被母系遗传，这是大规模杂交种子生产的关键考虑因素。”
花粉并不是这项技术唯一的牺牲品。当使用邻近正常植物的花粉进行杂交受精时，他们的烟草植物出人意料地产生了小而空心的种子，就像西瓜和葡萄等流行的“无籽”水果一样。
杜威说:“这是因为我们选择的启动子不仅在花粉形成期间没有表达，而且在种子早期发育期间也没有表达。”
杜威说，他的团队现在正在努力将这些结果分离开来，这样研究人员就可以单独实现花粉不育或无籽特性，而不是同时实现两者。
杜威还强调，这些发现不应局限于烟草植物。他们的下一代实验将包括测试番茄的无籽特性，番茄是烟草的近亲。他们还将在水稻等谷物中测试他们的新型CMS特性，以测试他们的系统在杂交种子生产对实现最大产量很重要的作物中的功效。
“了解这个系统的运作方式，我们没有理由相信我们不能有效地将这项技术转移到其他植物物种上，”他说。
这项研究发表在《植物科学前沿》杂志上。Devarshi Selote, H. Carol Griffin, Allison N. Dickey, Derek Jantz, J. Jeff Smith, Anna Matthiadis, Josh Strable, Caitlin Kestell和William A. Smith共同撰写了这篇论文。这项工作的部分资金来自Elo生命系统公司，并得到了北卡罗来纳州植物育种协会的支持。杜威和其他几位研究人员已经为这项新技术申请了专利。
