Salk研究人員已經繪制了具有最高分辨率的轉基因植物系的基因組和表觀基因組，以準確揭示插入一片外源DNA時在分子水平上發(fā)生的情況。他們的研究結果發(fā)表在2019年1月15日的PLOS Genetics雜志上，闡明了用于修飾植物的常規(guī)方法，并提供了更有效地減少潛在脫靶效應的新方法。

“這真的是一個起點，表明可以使用最新的測繪和測序技術來研究將基因插入植物基因組的影響，”霍華德休斯醫(yī)學研究所研究員Joseph Ecker說，他是Salk植物分子學教授細胞生物學實驗室和基因組分析實驗室負責人。

當一個科學家想要將一種新基因植入植物中 - 用于基礎研究目的或增加食物作物的健康或營養(yǎng)時 - 他們通常依靠根癌農桿菌來完成工作。土壤桿菌是引起冠癭腫瘤的細菌，樹干上有大的凸起。幾十年前，科學家們發(fā)現，當細菌感染樹木時，它會將一些DNA轉移到樹的基因組中。從那以后，研究人員為了自己的目的選擇了土壤桿菌的這種轉移能力，利用其轉移DNA(T-DNA)將所需基因轉移到植物中。

最近，DNA測序技術開始暗示當農桿菌 T-DNA用于將新基因插入植物中時，它可能導致天然DNA的結構和化學性質的額外變化。

“生物技術公司花費了大量的時間和精力來描述轉基因植物的特征，并忽視不必要的變化而不理解 - 從基本的生物學角度 - 為什么這些變化可能已經發(fā)生，”Ecker說。“我們的新方法提供了一種更好地理解這些影響的方法，可能有助于加快這一過程。”

“最大的不確定因素是T-DNA是否與你想要的同時插入了多少拷貝，”前Salk研究員Florian Jupe說道，他現在在拜耳作物科學公司工作。Jupe，Salk員工研究員Mark Zander和研究助理Angeline Rivkin是新報的共同第一作者，以及J. Craig Venter研究所的Todd Michael。

由于T-DNA方法可以將所需基因的許多拷貝整合到植物中，因此用標準DNA測序研究最終結果可能是困難的，因為大多數技術難以對高度重復的DNA序列進行測序。但是Ecker和他的同事們轉向了一種新的方法組合 - 包括光學測繪和納米孔測序 - 以高分辨率觀察這些長時間的延伸。他們將這些技術應用于擬南芥(Arabidopsis thaliana)的四個隨機選擇的T-DNA系，擬南芥是生物學中常用的模型植物。(這些植物來自大量的T-DNA插入突變體，使用擬南芥轉化方法，稱為花浸，用于研究基因功能。)

光學作圖顯示植物在其基因組中具有一至七個不同的插入或重排，大小幾乎為十倍。兩個細胞系的基因組的納米孔測序和重建證實了單字母分辨率的插入，包括在所選擇的一條染色體之間已經交換或易位的DNA的整個區(qū)段?；虿迦氡旧盹@示出多種模式，插入的DNA片段有時會被擾亂，倒置甚至沉默。

“這項研究甚至在一年前還不可能，”邁克爾說。“Nanopore測序，有些人稱之為DNA測序的'圣杯'，它甚至徹底改變了基因組的最復雜區(qū)域的讀數，這些區(qū)域到目前為止是完全無法接近和未知的。”

最后，當研??究人員研究稱為組蛋白的遺傳物質包時，他們發(fā)現了其他變化。組蛋白將DNA包裝到結構單元中，并且這些組蛋白的修飾介導基因是否可以被細胞使用(稱為表觀遺傳學的調節(jié)水平)。根據T-DNA整合的位置，某些附近的組蛋白修飾出現或消失，可能會改變其他附近基因的調節(jié)或激活。

“現在我們對T-DNA插入如何塑造局部表觀基因組環(huán)境有了第一個高分辨率的見解，”Zander說。

研究人員表示，在一個理想的世界中，T-DNA會插入一個所需基因的單一功能性拷貝，對植物的基因組沒有附近的副作用。雖然他們的研究結果表明在擬南芥中很少出現這種情況，但他們的方法為更好地理解和監(jiān)測這些影響提供了途徑。

“這項技術令人興奮，因為它讓我們更清楚地了解這些轉基因擬南芥品系中的情況，”Rivkin說。

“對于擬南芥，它相對容易，因為它具有如此小的基因組，但由于DNA測序技術的持續(xù)改進，我們預計這種方法也可用于作物植物，”Ecker補充說，他是Salk國際理事會遺傳學主席。 。“目前的方法需要篩選數百種轉基因品系以找到性能良好的品系，例如那些沒有額外插入的品系，因此這項技術可以提供更有效的方法。”