U novoj studiji objavljenoj u Nature Genetics, koju je vodio Charles Undervood sa Instituta Maks Plank za istraživanje oplemenjivanja biljaka u Kelnu, Nemačka, naučnici su uspostavili sistem za generisanje klonskih polnih ćelija u biljkama paradajza i koristili ih za dizajniranje genoma potomaka.
Oplodnja klonske jajne ćelije od jednog roditelja klonskom spermom drugog roditelja dovela je do toga da biljke sadrže potpune genetske informacije oba roditelja.
Hibridno seme, koje kombinuje dve različite roditeljske linije sa specifičnim povoljnim osobinama, popularno je u poljoprivredi jer daje čvrste useve sa povećanom produktivnošću, a farmeri ih koriste više od sto godina.
Povećani učinak hibrida je generalno poznat kao hibridna snaga ili heteroza i primećen je kod mnogih različitih biljnih (i životinjskih) vrsta. Međutim, efekat heteroze više ne postoji u narednim generacijama ovih hibrida zbog segregacije genetskih informacija.
Stoga je potrebno svake godine proizvoditi novo hibridno seme, što je radno intenzivan i skup poduhvat koji ne funkcioniše dobro za svaku kulturu. Dakle, kako se korisne osobine, kodirane u genima hibridnih biljaka, mogu preneti na sledeću generaciju?
Tipično, naš genetski materijal prolazi kroz promene tokom mejoze – ključne deobe ćelija koja se dešava u svim organizmima koji se seksualno razmnožavaju. Ovo preuređivanje, zbog nasumične segregacije hromozoma i mejotičke rekombinacije, važno je u stvaranju novih i korisnih genetskih konfiguracija u prirodnim populacijama i tokom uzgoja.
Međutim, kada je u pitanju oplemenjivanje biljaka, kada imate odličnu kombinaciju, želite da je zadržite i da je ne izgubite ponovnim izmenama gena. Imati sistem koji zaobilazi mejozu i koji bi rezultirao polnim ćelijama (jajetom i spermom) koje su genetski identične roditeljima moglo bi imati nekoliko primena.
U ovoj studiji, Undervood i njegov tim uspostavili su sistem u kome zamenjuju mejozu mitozom, jednostavnom deljenjem ćelija, u najpopularnijoj biljci povrća, kultivisanom paradajzu. U takozvanom MiMe sistemu (mitoza umesto mejoze) ćelijska podela oponaša mitozu, čime se zaobilazi genetska rekombinacija i segregacija, i proizvodi polne ćelije koje su tačni klonovi roditeljske biljke.
Koncept MiMe sistema je ranije uspostavio Raphael Mercier, direktor Instituta Maks Plank za istraživanje oplemenjivanja biljaka, za Arabidopsis i pirinač. Revolucionarni aspekt nove studije je da su istraživači po prvi put iskoristili klonske polne ćelije da konstruišu potomstvo kroz proces koji nazivaju „dizajn poliploidnog genoma“.
Obično polne ćelije imaju prepolovljen skup hromozoma (kod ljudi, 46 hromozoma se smanjuje na 23; kod paradajza 24 hromozoma se smanjuje na 12), dok su MiMe polne ćelije klonske i stoga se ovo prepolovljenje hromozomskog skupa ne dešava.
Undervood i njegov tim izveli su ukrštanja koja su značila da je klonsko jaje iz jedne MiMe biljke paradajza oplođeno klonskom spermom iz druge MiMe biljke paradajza. Dobijene biljke paradajza sadržale su kompletan genetski repertoar oba roditelja – i stoga su sastavljene od 48 hromozoma.
Stoga su sve povoljne karakteristike oba hibridna roditelja objedinjene — dizajnom — u jednoj novoj biljci paradajza. Zbog bliskog genetskog odnosa između paradajza i krompira, tim oko Undervood-a veruje da se sistem opisan u ovoj studiji može lako prilagoditi za upotrebu u krompiru, petoj najvredniji biljci na svetu, i potencijalno drugim vrstama useva.
S obzirom na porast broja stanovnika i klimatske promene, razvoj visokoprinosnih, održivih i stabilnih sorti je od ključnog značaja za obezbeđivanje snabdevanja hranom u svetu na duži rok. Zbog toga je od ključne važnosti da se uzgajaju biljke koje pokazuju povećanu otpornost na bolesti i toleranciju na stres. Inovativni pristupi tehnologijama reprodukcije biljaka su od suštinskog značaja.
MiMe sistem i njegova primena u poliploidnom inženjeringu genoma mogli bi da budu jedan obećavajući put za rešavanje današnjih poljoprivrednih izazova.
„Zaista smo uzbuđeni zbog mogućnosti korišćenja klonskih polnih ćelija za izvođenje poliploidnog dizajna genoma. Uvereni smo da će to omogućiti odgajivačima da iskoriste dalji heterozis – progresivni heterozis koji se nalazi u poliploidima – na kontrolisan način“, kaže Undervood.
„MiMe sistem paradajza koji smo uspostavili bi takođe mogao da se koristi kao komponenta proizvodnje klonskog semena — sintetičkog apomiksisa — u budućnosti. Ovo bi moglo značajno da smanji troškove proizvodnje hibridnog semena“, dodaje Iazhong Vang.
