美科学家通过基因测序改善农作物营养和口味
2014-08-27 10:16:00   来源:亚利桑那大学
内容摘要
亚利桑那州立大学的研究人员日前解开了油菜籽等植物的基因密码。这项发现将帮助种植者选择植物合适的特性,比如更丰富的含油量或更快的育种期等进行培育,使农作物更有营养,而且适合在更广泛的地域种植。这项研究被发表在2014年8月22日的《科学》杂志上。

亚利桑那州立大学农业和生命科学学院BIO5研究所的研究人员日前解开了油菜籽等植物的基因密码。这项发现将帮助种植者选择植物合适的特性,比如更丰富的含油量或更快的育种期等进行培育,使农作物更有营养,而且适合在更广泛的地域种植。此外,这项发现还可以帮助科学家更好地理解植物基因的演化过程。

芸苔属植物在全世界范围种植长达几百年时间,菜花、西兰花、球芽甘蓝、大白菜、大头菜、豇豆、芥菜以及油菜等植物都是芸苔属植物的典型代表。

这项研究由美国、法国、加拿大、中国的多家机构联合进行。研究显示,油菜的基因组包含大量基因信息透露,油菜籽(或芸苔属植物显著)基因组中包含大量的基因——超过10万种——这是因为它源于两个父系物种之间的合并,即芸苔属植物和芜菁类属植物,包括西兰花、花椰菜、芽甘蓝、羽衣甘蓝等。

“这种全基因组测序工作让我们解决两个基本问题,”亚利桑那大学的农业和生命科学学院副教授Eric Lyons指出,“储存在基因组的遗传信息如何帮助我们更好地理解生物体的功能,以及基因组的结构告诉我们对基因组的进化过程。”

这项研究被发表在2014年8月22日的《科学》杂志上。

“油菜基因组有一段非常有趣的历史,”这项研究的主要作者之一、亚利桑那大学生物信息学高级科学家Haibao Tang指出,“由于两种植物的合并,它们最终带有四种基因的副本。在这项研究中,我们看看这种合并事件后发生了什么。例如,获得了哪些基因以及丢失了哪些基因。”

“芸苔属植物的种类在人类的食用领域可谓五花八门,”他指出,“对于所有品种来说,我们定义了哪些种类可以食用,植物的一些特性还定义了哪些品种使儿童不喜欢食用的。”Lyons补充说,“有些植物品种带有苦涩的味道,比如花椰菜和球芽甘蓝中含有一种名为芥子油苷的化学成分,而我们的研究可以帮助除去这些植物中的相关基因密码,从而使这些蔬菜使用起来更加美味。”

测序工作为科学家和种植者提供了一个可以用于映射到某些植物基因上的代谢途径。例如,他们可以努力创建一种不含苦味的西兰花品种,或调整脂质生物合成途径,积极改善油菜籽的含油量。

“此外,我们还在对鸟类、昆虫、牛羊、鱼类以及其它植物的基因组进行测试,这些测序工具在过去的几年中已经在生态系统以及生物信息领域发挥着重要作用。”

华大基因等成功揭示桃全基因组重测序

近日,中国农业科学院郑州果树研究所王力荣研究团队与深圳华大基因联合开展的桃全基因组重测序工作取得阶段性进展。该研究对84份桃种质进行重测序,在全基因组水平上绘制了从光核桃到普通桃的进化路线,并鉴定了与人工选择相关的候选基因。相关研究结果在线发表于《基因组生物学》(Genome Biology)。

据项目主持人王力荣研究员介绍,普通桃起源于中国西藏的光核桃,然而在这2个种之间的其他近缘种的进化关系一直以来存在争议。通过此次重测序,可以确定普通桃的进化始于光核桃,之后为山桃,再次为甘肃桃,最终形成普通桃,而新疆桃只能认为是普通桃的一个地理类群。

另外,与其他果树相比,桃有个有趣的现象,即桃由于自交亲和,一直被认为是遗传多样性较低,然而桃上可以看到多种类型,如有毛的毛桃、无毛的油桃、扁平的蟠桃和油蟠桃、重瓣的花型、不同的花药颜色等,这些性状的多样性在其他果树如李、杏、樱桃、苹果和葡萄上是看不到的。研究发现,与野生的近缘种相比,虽然普通桃单核苷酸多态性(SNPs)只有野生桃的62.0%,然后在这些SNPs中,普通桃特有SNPs占到其总SNP的47.3%,该结果很好的解释桃多样性的矛盾现象。

桃重测序也发现,由于桃自交亲和及长期采用嫁接繁殖,在驯化过程中桃的杂合率急速衰减,普通桃高的纯合率不仅为解析其表型性状的分子机制提供便利,也为桃作为蔷薇科果树分子生物学研究的模式树种提供了有力的证据。

科学家完成簸箕柳全基因组测序

近日,南京林业大学长江学者尹佟明教授团队联合国内外多家单位完成了簸箕柳的全基因组测序。通过基因组比较研究显示,杨树和柳树起源于共同的古四倍体祖先,这一古四倍化事件发生在距今约5800万年前,比迄今发现的化石记录早了约1300万年。

杨树和柳树是重要的造林绿化和用材树种,在全球分布极为广泛。化石记录显示杨树和柳树出现在4500万年前。杨树全基因组测序显示,杨树起源于一个古四倍体祖先。古四倍体形成约6百万年后,其基因组重新二倍化,由于染色体片段重连和融合的方式不同,分别形成了杨树和柳树两个分支。在二倍体基因组重新稳定的过程中,柳树比杨树丢失了更多的DNA和编码基因,现代柳树比杨树基因组减小了约6千万碱基以上,基因数量减少了约1万个以上。对基因复制方式的分析表明,柳树比杨树丢失了更多的古多倍化事件复制出的基因。研究还发现,柳树基因的进化速率显著高于杨树,这主要与柳树世代周期短有关。许多研究表明,长世代周期植物比短世代周期植物的基因具有更高的碱基替换速率。

木本植物一般个体高大,世代周期长,这些生物学特性限制了木本植物遗传研究的进展。目前,国际上普遍采用杨树作为木本植物遗传研究的模式物种。柳树与杨树起源于一个共同的祖先,但与杨树相比,簸箕柳基因组更小,世代周期更短,且簸箕柳为小灌木,易于开展大规模田间试验。簸箕柳全基因组测序的完成为解码木本植物基因组奥秘提供了一个更为理想的研究体系。

该研究成果集合了南京林业大学、兰州大学、深圳华大基因研究院和美国能源部橡树岭国家实验室等单位的研究力量,主要成果已于2014年7月1日在《Cell Research》上在线发表。

北大在CRISPR-Cas9基因组编辑技术领域获突破

北大生命科学学院刘东课题组应用CRISPR-Cas9基因组编辑(genome editing)技术,在模式生物线虫中成功实现了不同类型的基因打靶:1、在性腺特异表达Cas9的转基因线虫中,通过饲喂基因靶点特异的gRNA或直接向线虫性腺注射Cas9和gRNA(DNA或RNA),均获得了可遗传的突变体;2、在非性腺表达Cas9的转基因线虫中,通过饲喂基因特异的gRNA获得了体细胞突变体;3、利用热激蛋白基因启动子驱动的转Cas9基因线虫,该饲喂CRISPR-Cas9系统实现了不同发育时期的体细胞基因突变。饲喂CRISPR-Cas9系统可省时、高效地实现大规模特定基因定向敲除和突变体筛选,有潜力成为线虫反向遗传学研究的新型工具。本研究相关论文“Heritable/Conditional Genome Editing in C. elegans Using a CRISPR-Cas9 Feeding System”近日已在线发表在《细胞研究》杂志上。

该研究成果有力推动了刘东实验室“基因间区长非编码RNA的筛选和功能分析”课题的进展,部分延续了前期非编码RNA的工作(Liu et al., 2011. Cell Res. 21:1605-1618,刘东与樊启昶老师共同指导完成)。博士研究生刘朋朋、隆例江和熊锴为该研究论文的共同第一作者,刘东为通讯作者。本研究得到生物膜和膜生物工程国家重点实验室、国家自然科学基金委、科技部和北京大学-清华大学生命联合中心的资助。

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