想要“高顏值”玉米,來這里找跳躍基因吧

文章來源:中新網
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發布時間:2019-12-11 04:02:53
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  五顏六色的玉米突變體籽粒 受訪者供圖

  不知你有沒有注意到,從菜市場買回來的玉米,有的是黃燦燦的,有的卻像個大花臉,中間夾雜著紫色、白色的玉米粒?

  其實,這是玉米的天性使然。玉米基因中有很多非常活躍的轉座子,它們就像一支“小畫筆”,跳到哪個基因上,就會抹去那里本來的“顏色”。因此導致籽粒顏色變化有一部分是轉座子運動產生的。

  轉座子改變的不僅是玉米子粒顏色,還有株高、抗性、產量等幾乎所有性狀。這一獨特的基因屬性,引起了科學家們的興趣。為了育種需要,我們不僅要抑制轉座子跳躍帶來的表型不穩定,同時也要利用轉座子的跳躍選育優良品種。

  近日,江蘇省農業科學院種質資源所趙涵研究員團隊、中國農業大學宋任濤教授團隊和上海大學經過7年合作,創建了目前世界上最大的玉米轉座子插入資源庫,為全球玉米基因組研究提供重要遺傳資源。相關研究報告近日發表在國際著名學術期刊《植物生理學》上。

  玉米籽粒顏色變化的困惑

  在日常生活中,我們常常能看到一些五顏六色的“花玉米”。在普通人看來,這并不是什么大不了的問題,因為吃起來口感并沒有什么不同。

  但是半個世紀前,美國科學家芭芭拉·麥克林托克卻對此感到困惑,通過堅持不懈的研究最終發現了“跳躍基因”,也就是轉座子。她也憑借著對轉座子的開創性研究獲得了諾貝爾獎。

  轉座子是染色體上一類可移動的DNA片段,能夠從染色體上的一個位置跳到另一個位置。“轉座子在生命體中廣泛地存在,但玉米中的轉座子最多,占到DNA分子的50%以上。這些具有轉座能力的遺傳因子,能夠引發玉米基因組重排,使玉米品種遺傳多樣性增加。”據江蘇省農科院種質資源與生物技術研究所副研究員周玲介紹,當轉座子跳躍到某個有功能基因內部或鄰近位點時,就會引起這個基因控制的功能喪失。

  由于轉座子的跳躍決定著玉米性狀,故而研究人員希望通過控制轉座子的跳躍,獲得更加優化的品種。

  1978年,科學家發現一種新的轉座子體系——Mu轉座子家族。這是迄今為止植物中發現的轉座活性以及誘變能力最強的轉座元件。一般轉座子跳躍影響的性狀并不明顯,而當Mu轉座子跳躍到某個基因后,可以使基因功能喪失,產生大量的突變表型,形成明顯改變的性狀。

  在基因功能的研究中,突變體是最直接有效的材料。而Mu轉座子插入突變體庫的創制,為玉米研究者提供了豐富的遺傳資源。因此,國外學者多年前就開始以Mu轉座子供體材料與其他玉米自交系雜交,從中挑選插入誘變群體中的突變個體,并形成插入突變體庫。

  基因突變體庫已向全球玉米研究人員開放

  構建大型基因突變體庫,已成為創造玉米種質、獲得突變基因、分離克隆玉米重要功能基因,進而開展功能基因組學研究的重要方法之一。可以說,誰擁有了大型的基因突變體庫,誰就可以走在相關研究的前沿。

  過去,國內學者對某一個玉米性狀進行研究時,需要向美國構建的UniformMu插入數據庫申請突變體資源。“申請手續繁瑣,且質量得不到保證,不利于國內相關領域的研究發展。”周玲說。

  從2012年起,江蘇省農科院與中國農業大學便開始合作構筑由Mu活性系突變形成的基因突變體庫。“構筑突變體資源庫的原理,就是利用Mu活性系與對照樣本——B73自交系進行雜交,采用轉座子標簽分離技術結合第二代高通量測序技術,對材料中的Mu轉座子進行定位,從而形成大量的突變體材料。”周玲告訴記者。

  通過年復一年的雜交種植,他們對20000多株樣本逐一進行基因測序,篩選出2581株遺傳性狀顯著的玉米,納入基因突變體庫。

  經過7年努力,目前的突變體基因庫獲得了豐碩成果。他們在2581個突變體材料中,通過Mu標簽富集和高通量測序技術,結合生物信息學分析,以及大范圍內驗證插入位點的可遺傳性,獲得了約97000個可遺傳插入位點,是美國插入數據庫UniformMu的2倍。其中66565個位點為高質量可遺傳插入,插入覆蓋了玉米20244個(45.7%)基因,其中13425個基因存在兩個及以上的插入。與美國的同質基因庫相比,覆蓋面更廣,可供研究的性狀也更多,對未來的玉米種質優化有著深遠影響。

  “我們基因突變體庫還在補充完善之中,最終目標是形成4000多個突變體材料,獲得更多的可遺傳插入位點。”據周玲透露,這個基因突變體庫的插入位點,已經對全球玉米研究人員開放共享。( 實習生 雷浩然 本報記者 張 曄)

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