揭開58年前的玉米基因之謎可能會對植物育種產(chǎn)生影響

研究人員在發(fā)現(xiàn)一種“開啟”另一種基因的基因，這種基因負責玉米中常見的紅色素，研究人員解決了近六十年前的一個謎團，其中一項發(fā)現(xiàn)可能對未來的植物育種產(chǎn)生影響。作為超過20年工作的高潮，1997年，賓夕法尼亞州立大學玉米遺傳學教授Surinder Chopra從突變的玉米系中獲得了種子。當時，喬普拉是愛荷華州立大學的博士后學者，他在2000年加入賓夕法尼亞州立大學時帶來了他的研究。

這個謎團涉及一種自發(fā)的基因突變，導致紅色色素在各種玉米植物組織中出現(xiàn)，如籽粒，玉米穗軸，穗，絲，甚至莖，持續(xù)幾代，然后在隨后的后代中消失。對于不熟悉的人來說，這似乎是一個小問題，但由于玉米遺傳學早已被研究作為一個模型系統(tǒng)，這個問題對植物生物學具有重要意義。

“在玉米中，參與色素生物合成的基因已被用于遺傳研究超過一個世紀 - 玉米中的色素沉著是一個相對簡單的特性，這使其成為用作遺傳研究標記的理想選擇，”Chopra說。“查爾斯伯納姆博士(明尼蘇達大學)于1960年鑒定了突變玉米植物，并將這粒種子送給他的一名學生Derek Styles。我們在1997年收到了Styles的種子，我們受委托繼續(xù)研究。”

Chopra致力于將來自突變體玉米的基因滲入基因，該基因被稱為橙子1的Ufo1-Unstable因子，進入各種近交玉米品系。自從他來到賓夕法尼亞州立大學以來，喬普拉農(nóng)業(yè)科學學院的研究小組已經(jīng)在賓夕法尼亞州立農(nóng)學農(nóng)場和校園溫室中種植和回交玉米植株系。在過去三年中，研究人員最近在植物細胞中發(fā)表了他們的研究結(jié)果，他們已經(jīng)培育了超過4,000種回交植物來繪制Ufo1在基因組中所處位置的位置。

利用這些雜交植物的組織，采用RNA測序技術(shù)和基因克隆工具，以及植物遺傳學家直到最近才能獲得的新一代測序，遺傳作圖和數(shù)據(jù)分析能力，研究人員揭露了其中的罪魁禍首。再次，一次又一次，紅色色素玉米之謎。他們發(fā)現(xiàn)了Ufo1，它只存在于玉米，高粱，大米和谷子中。

但是Ufo1 突變基因?qū)嶋H上并不會導致紅色色素出現(xiàn)在玉米中 - 這是由一種叫做果皮色素1或p1的基因引起的。研究人員發(fā)現(xiàn)，Ufo1基因?qū)??際上是由一個位于Ufo1基因附近的轉(zhuǎn)座子 - “跳躍基因”控制的。轉(zhuǎn)座子是從基因組中的一個位置移動到另一個位置的DNA序列，并且可以影響附近必需基因的表達。

當打開該轉(zhuǎn)座子時，Ufo1基因也被打開，這觸發(fā)p1基因向植物發(fā)出信號以產(chǎn)生紅色色素。但是當轉(zhuǎn)座子關(guān)閉時，Ufo1基因變得沉默，p1控制的色素途徑也是如此。據(jù)Chopra說，這是Ufo1基因長期不明的主要原因，而且這個謎團仍然存在。“我們能夠?qū)⑵淇s小為數(shù)千個基因中的單個基因，這些基因在Ufo1突變體與野生型植物中異常表達，”他說。“這是一項漸進的發(fā)現(xiàn)，但它是基礎(chǔ)科學的一次飛躍，因為它可能對種植育種者很有價值。”

目前尚不完全清楚Ufo1如何與p1基因相互作用。與玉米植物中Ufo1突變基因控制的相比，該發(fā)現(xiàn)的未來意義可能與紅色色素的關(guān)聯(lián)性較小。喬普拉認為它可能是一個“主要調(diào)節(jié)器”，當過度表達時，即使在沒有壓力的情況下也會向植物發(fā)出信號。有趣的是，Chopra指出，在Ufo1植物中，糖類在葉片中過度積累，并且由玉米植物制成的天然殺蟲劑maysin的含量在絲綢中急劇增加。

“了解控制正常或非突變Ufo1基因調(diào)控的內(nèi)容將使我們更接近真實的育種過程，在此過程中我們可以修補基因表達以獲得更高的maysin含量或增加糖含量，這在作物中很重要分別是對害蟲和生物燃料生產(chǎn)的保護，“喬普拉說。“而且，由于它對細胞機器的運作有顯著影響，我們現(xiàn)在可以進一步了解通常在對植物施加壓力時發(fā)生的基本分子途徑，”他說。“由于氣候變化，了解由極端高溫，寒冷和水引起的植物壓力非常重要。”

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