Editing of ORF138 restores fertility of Ogura cytoplasmic male sterile broccoli via mitoTALENs

生物 细胞质雄性不育 不育 线粒体DNA 遗传学 混合的 基因 生育率 杂交种子 生物技术 植物 人口 人口学 社会学
作者
Fengyuan Xu,Tongbing Su,Xiaochen Zhang,Lei Qiu,Xiaodong Yang,Nobuya Koizuka,Shin‐ichi Arimura,Zhongyuan Hu,Mingfang Zhang,Jinghua Yang
出处
期刊:Plant Biotechnology Journal [Wiley]
卷期号:22 (5): 1325-1334 被引量:6
标识
DOI:10.1111/pbi.14268
摘要

Cytoplasmic male sterility (CMS), encoded by the mitochondrial open reading frames (ORFs), has long been used to economically produce crop hybrids. However, the utilization of CMS also hinders the exploitation of sterility and fertility variation in the absence of a restorer line, which in turn narrows the genetic background and reduces biodiversity. Here, we used a mitochondrial targeted transcription activator-like effector nuclease (mitoTALENs) to knock out ORF138 from the Ogura CMS broccoli hybrid. The knockout was confirmed by the amplification and re-sequencing read mapping to the mitochondrial genome. As a result, knockout of ORF138 restored the fertility of the CMS hybrid, and simultaneously manifested a cold-sensitive male sterility. ORF138 depletion is stably inherited to the next generation, allowing for direct use in the breeding process. In addition, we proposed a highly reliable and cost-effective toolkit to accelerate the life cycle of fertile lines from CMS-derived broccoli hybrids. By applying the k-mean clustering and interaction network analysis, we identified the central gene networks involved in the fertility restoration and cold-sensitive male sterility. Our study enables mitochondrial genome editing via mitoTALENs in Brassicaceae vegetable crops and provides evidence that the sex production machinery and its temperature-responsive ability are regulated by the mitochondria.

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