用于玉米的詳細(xì)新基因組顯示該植物具有用于持續(xù)適應(yīng)的深度資源
玉米或玉米的新的更詳細(xì)的參考基因組將在今天的“自然”雜志上發(fā)表。在對(duì)植物10條染色體中DNA字母序列的計(jì)算中,新版本幫助我們以前所未有的方式理解為什么玉米,而不是其他植物,如今是世界上生產(chǎn)力最高,種植最廣泛的作物。在許多其他事情中,新的序列揭示了玉米個(gè)體在基因組水平上的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人類。
“我們用于玉米的新基因組展示了這種植物的靈活性,這種特性直接源于其基因組的組織方式,”冷泉港實(shí)驗(yàn)室(CSHL)和美國(guó)食品部門的Doreen Ware博士說。農(nóng)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)了七個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和幾個(gè)基因組技術(shù)公司的科學(xué)家。
這種靈活性不僅有助于解釋為什么玉米自幾千年前由農(nóng)業(yè)主義者改編以來取得如此成功,也預(yù)示著隨著地球氣候的變化,玉米在新的地方種植的能力,以及提高玉米的生產(chǎn)力和環(huán)境可持續(xù)性的能力。美國(guó)和國(guó)外。
在玉米基因組很大,但它的大小是不是真的有什么負(fù)責(zé)科學(xué)家稱之為植物的“可塑性”,即在其能力范圍內(nèi)的潛力相適應(yīng)。在嘗試確定植物在適應(yīng)新的或變化的條件時(shí)可獲得的可能性時(shí),基因被激活 - 或沉默 - 與基因本身的同一性決定基因的總體基因一樣多。 Ware解釋說,工廠可以做到。
正是這種基因活動(dòng)的背景 - 植物基因在物種間不同個(gè)體中被調(diào)節(jié)的方式的變化 - 新基因組正在被揭示出來。通過為一個(gè)名為B73的重要玉米品系組裝一個(gè)高度準(zhǔn)確且非常詳細(xì)的參考基因組,然后將其與來自另外兩個(gè)品系(W22和Ki11)的玉米個(gè)體的基因組圖譜進(jìn)行比較,這兩個(gè)品系生長(zhǎng)在不同的氣候條件下,測(cè)序團(tuán)隊(duì)達(dá)到了驚人的效果。實(shí)現(xiàn)。
“一方面,玉米個(gè)體在基因組水平上的數(shù)量遠(yuǎn)不如人類,”韋爾說。兩個(gè)人的基因組圖譜將在參考人類基因組中與大約98%的基因組位置匹配。從基因組的角度來看,人類幾乎完全相同。“但我們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)玉米個(gè)體 - 來自W22和Ki11系 - 每個(gè)與我們新的B73玉米參考基因組平均只有35%,平均而言。它們的基因組組織非常不同!”
玉米個(gè)體之間的這種差異反映了“基因本身序列的變化,以及基因表達(dá)的位置和時(shí)間,以及在什么水平上的變化,”博士后研究員Yinping Jiao博士解釋道。潔具實(shí)驗(yàn)室和宣布新基因組的論文的第一作者。
在新的參考基因組序列中,可以以前所未有的細(xì)節(jié)介入這些基因表達(dá)的可變性。2009年完成的第一個(gè)玉米參考基因組是一個(gè)重要的里程碑,但由于現(xiàn)在已經(jīng)過時(shí)的技術(shù),它產(chǎn)生的最終基因組“文本”更像是速讀版本,而不是適合近距離閱讀的版本,Ware說。
2009年的序列往往錯(cuò)過了兩件事。所謂的第一代測(cè)序技術(shù)無(wú)法解決玉米基因組中大量的重復(fù)序列,并且往往錯(cuò)過了基因之間的大量空間。因?yàn)楸仨殞⒃S多小塊縫合在一起形成一個(gè)整體,所以特別難以準(zhǔn)確地捕獲玉米中許多DNA字母形成長(zhǎng)重復(fù)序列的地方。重復(fù)序列在玉米中尤其重要,因?yàn)樗幕蚪M在數(shù)百萬(wàn)年中進(jìn)化的特殊方式。
新序列利用生物學(xué)家所謂的長(zhǎng)讀序列,正如其名稱所示,它從更少的部分組裝完整的基因組 - 大約3,000個(gè),而不是構(gòu)建2009參考基因組的超過100,000個(gè)較小的片段。新技術(shù)也便宜得多;剛剛完成的工作成本約為15萬(wàn)美元,而其前身則超過3500萬(wàn)美元。
長(zhǎng)期閱讀技術(shù),通過讓科學(xué)家??對(duì)玉米中基因之間的空間進(jìn)行細(xì)化觀察,揭示了這些基因是如何被調(diào)節(jié)的,因?yàn)檎{(diào)控元件通常位于基因上游或下游的區(qū)域。
為育種者提供幫助
“由于其驚人的表型可塑性,”Ware總結(jié)道,“這種植物有更多的組合。這對(duì)育種意味著什么?這意味著我們?cè)诖蠖鄶?shù)植物基因的調(diào)控成分上有很大的變異。除了我們現(xiàn)在所做的以外,它們具有很大的適應(yīng)性。隨著人口的增加和氣候在我們面前的時(shí)期發(fā)生重大變化,這對(duì)玉米種植具有巨大的影響。“
新基因組解析基因間的空間 - “基因間”區(qū)域 - 也使得從不同玉米個(gè)體的基因組“文本”中讀取詳細(xì)的歷史成為可能。“我們想要了解玉米基因組是如何進(jìn)化的,”韋爾說,“能夠在個(gè)體中觀察基因組并讓它告訴我們一個(gè)故事。為什么給定基因的表達(dá)會(huì)發(fā)生變化,在什么情況下? “
例如,考慮轉(zhuǎn)座子的影響 - 在基因組中跳躍的DNA片段?,F(xiàn)在可以用以前不可能的特異性評(píng)估這一點(diǎn)。存在于所有基因組中的轉(zhuǎn)座子首先在20世紀(jì)40年代由CSHL諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Barbara McClintock在玉米中觀察和描述。
新的參考基因組幫助科學(xué)家了解玉米基因組的歷史和結(jié)構(gòu)是如何通過轉(zhuǎn)座子的作用而不是在大多數(shù)植物中確定的。當(dāng)它們“跳”到基因內(nèi)的某個(gè)位置時(shí),該基因就會(huì)完全受損。其他時(shí)候,轉(zhuǎn)座子是否在基因之前或之后跳入某個(gè)位置可以確定其表達(dá)的時(shí)間和程度。
雖然“跳躍基因”現(xiàn)象已經(jīng)被理解了數(shù)十年,但它對(duì)不同玉米品種中不同個(gè)體的影響恰恰提供了有助于解釋植物進(jìn)化成功的信息。
植物的基因組可塑性也是育種者的福音。“玉米的多樣性是育種的資源基礎(chǔ),”焦說。“這是制作更好的玉米的關(guān)鍵,未來還有更多。”
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