農(nóng)業(yè)嫁接可追溯到近3000年。通過反復(fù)試驗，從中國古代到古希臘的人們意識到，將一個植物的切枝連接到另一個植物的莖上可以提高作物的質(zhì)量?，F(xiàn)在，Salk研究所和劍橋大學(xué)的研究人員利用這種古老的實踐，結(jié)合現(xiàn)代基因研究，表明嫁接植物可以分享表觀遺傳特征，根據(jù)2016年1月18日發(fā)表在“ Proceedings of the Proceedings of the Proceedings of the Proceedings”中的一篇新論文國家科學(xué)院。

“嫁接經(jīng)常在商業(yè)世界中完成，但我們真的不完全了解這兩種植物的后果，”該論文的高級作者之一和Salk基因組分析實驗室主任Joseph Ecker說。“我們的研究表明遺傳信息實際上是從一種植物流向另一種植物。這讓我感到意外。”

植物之間共享的遺傳信息不是DNA-兩種嫁接植物保留其原始基因組 - 但是表觀遺傳信息正在植物內(nèi)傳播。

在表觀遺傳學(xué)中，化學(xué)標(biāo)記作用于植物或動物DNA中的現(xiàn)有基因，以打開或關(guān)閉基因。表觀遺傳學(xué)可以確定細(xì)胞是否成為肌細(xì)胞或皮膚細(xì)胞，并確定植物如何對不同的土壤，氣候和疾病作出反應(yīng)。“未來，這項研究可能會讓種植者利用表觀遺傳信息來改善作物和產(chǎn)量，”該論文的第一批作者之一和Salk研究助理Mathew Lewsey說。

為了追蹤表觀遺傳信息的流動，Salk和劍橋團(tuán)隊專注于稱為小RNA或sRNA的微小分子。存在各種類型的表觀遺傳過程，但sRNA有助于稱為DNA甲基化的基因沉默過程。在DNA甲基化中，分子標(biāo)記物沿著DNA的頂部結(jié)合，阻止細(xì)胞的機(jī)器在分子標(biāo)記下讀取或表達(dá)基因。

該研究小組的劍橋成員先前的研究表明，sRNA可以從梢移植到嫁接植物到根部。因此，研究人員設(shè)計了一種嫁接試驗，其中包括擬南芥(擬南芥)植物的三種變異。兩個品種是野生型擬南芥，而第三個品種是缺乏任何種類的sRNA的突變體。

在進(jìn)行每次移植后，研究人員分析了枝條和根組織，以尋找植物不同基因組中DNA甲基化的變化。他們還證實了sRNA是否從野生型植物轉(zhuǎn)變?yōu)槿狈RNA的突變品種。

“這種設(shè)置使我們能夠觀察到一些非常獨(dú)特的東西：它們實際上傳遞了等位基因的表觀遺傳等效物，稱為epialleles，”Lewsey說。

等位基因是在物種內(nèi)共享的基因，但可能因個體而異，例如發(fā)展亨廷頓氏病的等位基因。在這種情況下，研究人員正在尋找植物表觀基因組中的位點(diǎn)，這些位點(diǎn)是由表觀遺傳過程改變的等位基因。換句話說：epialleles。

“因為這兩種野生型植物沿其基因組的表觀遺傳學(xué)不同，我們可以觀察到如何將枝條移植到根上實際上可以將一種植物從一種植物轉(zhuǎn)移到另一種植物，”Lewsey說。

該論文的高級作者大衛(wèi)•鮑爾科姆(David Baulcombe)承認(rèn)，這一新發(fā)現(xiàn)并非完全出乎意料。先前較小規(guī)模的工作表明，sRNA可以移動并介導(dǎo)受體組織中的表觀遺傳變化。

“然而，出乎意料的是移動RNA導(dǎo)致的變化規(guī)模，”劍橋大學(xué)植物科學(xué)系的Baulcombe說。

沿著thale水芹基因組的數(shù)千個位點(diǎn)被sRNA沉默。通過檢查這些epialleles的位置，研究人員可以開始尋找他們的目的的線索。在實驗中觀察到的epialleles通常沉默稱為轉(zhuǎn)座因子或轉(zhuǎn)座子的基因組區(qū)域。

轉(zhuǎn)座子構(gòu)成了所謂的黑暗DNA的一部分，或者是不編碼基因的大部分基因組。轉(zhuǎn)座子最初被稱為“跳躍基因”，可以從基因組的上下移動，影響附近基因的表達(dá)。實驗中sRNA靶向的許多轉(zhuǎn)座子與活性基因的位置非常接近。

盡管轉(zhuǎn)座子存在這種沉默，但野生型植物和缺乏sRNA的突變植物之間的基因表達(dá)只有很小的變化。“我們認(rèn)為這是因為擬南芥基因組的緊湊性，”Lewsey說。“轉(zhuǎn)移到具有更大基因組的物種和更活躍的轉(zhuǎn)座子可能會顯示出更大的差異。”

由于新的基因編輯工具，可以用更復(fù)雜的流行作物基因組進(jìn)行類似的嫁接實驗。“在其他具有更復(fù)雜基因組的植物中，這些效應(yīng)將被放大數(shù)百倍，”艾克爾說，他也是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和戈登和貝蒂摩爾基金會的研究員。

Baulcombe同意，作物植物的移動RNA的表觀遺傳效應(yīng)可能比目前工作中使用的模型物種大得多。這兩個研究小組正在計劃擴(kuò)大合作，以探索西紅柿和其他作物的這些影響。“在單株植物的根和芽之間已經(jīng)存在數(shù)千種其他表觀遺傳差異 - 兩種嫁接植物在遺傳上也存在差異，”Ecker說。“因此，在植物根系中創(chuàng)造這種細(xì)微差別是植物的新特征。”