创新背景

叶绿体是植物细胞中将二氧化碳和阳光转化为糖的部分，拥有自己的环状DNA，由与细胞细胞核中的双螺旋DNA相同的atgc编码组成。然而，叶绿体DNA与核DNA是完全独立的。每个细胞可以包含多个叶绿体，每个叶绿体都有许多相同的叶绿体DNA副本。如果任何基因组编辑都要产生明显的影响，并能被植物的后代遗传，那么每一个叶绿体DNA拷贝都必须进行同样的改变。

创新过程

通过基因工程可以培育更好的作物，但转基因植物的使用一直受到技术挑战和普遍争议的限制。修改植物细胞中产生能量的部分，然后去除DNA编辑工具，使其不能被未来的种子继承或许可以增加作物物种多样性。东京大学的遗传学家2021年7月在《自然植物》杂志上发表了相关概念验证实验，证明了这项技术的可行性。

TALENs技术

20世纪90年代时，科学家们发明了一种将新的DNA片段插入叶绿体基因组的技术，但这项技术会插入额外的基因标签或标记。新的方法可以专门修改叶绿体基因，并测量它们的潜力，希望培育出一种好的植物。

研究目标是在不留下基因组编辑工具或永久改变核DNA的情况下，只对叶绿体DNA的特定部分进行统一的、可遗传的修饰。研究使用一个被称为TALENs的工具。最初的TALENs使用一种能识别特定短DNA序列的大蛋白，并用酶切割DNA。TALEN技术经过改进后，使DNA识别序列可以定制，DNA切割酶可以替换成一种酶，使DNA编码中的GC对变成AT对。

这些GC到AT的变化是将DNA编码的一个点改变为另一个点，而不是插入或删除整个基因。然而，点突变可以有主要的影响取决于它们的位置。

研究团队结合TALEN的这些改进，并添加了额外的“叶绿体靶向”组件，将他们的最终版本称为ptpTALECDs。研究人员对想要进行的每一个基因组编辑在细菌中构建一个匹配的左右对ptptalecd。大的TALENs蛋白对和叶绿体靶向信号必须同时作为一个来自核DNA的单一单元表达，导致设计过程是复杂的。

ptpTALECD序列

设计完ptpTALECDs DNA序列后，研究人员将其插入拟南芥植物中。东京大学的研究人员认为，在ptptalecd构建完成之后，它可以被插入到许多作物物种中，因为这部分过程在农业和植物学实验室中是一个直接和标准的程序。

ptptalecd进入植物的细胞核后，细胞产生ptptalecd的方式与产生其他蛋白质的方式相同。叶绿体靶向序列确保完成的ptpTALECD蛋白从细胞核中被运送到叶绿体中，然后在那里它们大概率会遇到的每个叶绿体基因组。

研究成功编辑的第一代植物被认为是转基因生物(GMO)，因为它们的核DNA已被永久改变，以包含ptpTALECD序列。当这些转基因植物通过自我受精或与非转基因(野生型)植物进行繁殖时，下一代植物将以正常的方式继承细胞核DNA，这意味着基因在胚珠和花粉之间混合和匹配。一些种子继承ptpTALECD序列，而另一些种子不继承。

基因遗传

植物通过它们的“母亲”胚珠完整地继承叶绿体。所以无论下一代植物遗传的核DNA如何，如果它们的母本植物有修饰过的叶绿体，下一代植物总是会遗传修饰过的叶绿体。

研究人员通过搜索这些后代，寻找那些没有继承编辑过的核DNA，但继承了修饰过的叶绿体的植物。这些第二代植物的成员和它们未来的任何后代都可以被认为是非转基因最终产品，因为它们的核DNA不包含ptpTALECDs的基因工程机制。

研究团队通过编辑三个叶绿体基因，并在后代植物中观察预期的效果，证明了他们的系统是有效的。叶绿体DNA编码的基因物质不到植物总遗传物质的1%，但它对光合作用有非常重要的影响，从而影响植物的健康。研究人员认为，没有一种基因工程工具会被后代继承，而且这种方法只会产生点突变，这将确保该方法将被用于培育更好的作物，为农民和消费者所接受。

创新关键点

在TALENs技术的基础上添加“叶绿体靶向”组件，设计ptpTALECDs DNA序列，将其插入到植物中以观察植物叶绿体的变化和遗传现象。

创新价值

新方法在植物中仅进行点突变，有助于减轻人们对转基因作物的戒心，让植物健康生长，培育农民和消费者更乐于接受作物。