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异常的大豆颜色揭示基因沉默过程

来源:环球科学

  日期:2017年6月19日

  来源:伊利诺伊大学,农业、消费者和环境科学学院(University of Illinois College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences)

  摘要:现今的大豆通常呈金黄色,只有与豆荚的连接处存在一个小小的黑点。在一片长着几百万颗大豆的田地里,几乎所有的豆子都长这样。然而有时一颗大豆会呈现出一半黑的鞍型图案,类似于豇豆。一项新研究揭示了其原因。

  伊利诺伊大学的研究人员发现了大豆不同寻常的鞍型图案背后的分子机制。

  图片来源:Lila Vodkin

  “黄色来源于一个被称为基因沉默(gene silencing)的自然过程——基因相互作用,从而关闭某些性状(traits),也被称为RNA干扰(RNA interference, RNAi)。” 伊利诺伊大学作物科学学院的荣誉教授Lila Vodkin解释道。 “科学家们经常利用基因沉默来设计改良作物、药品等,但自然发生的基因沉默的例子非常少。更好地理解这一过程可以帮助说明如何操纵基因,从大豆到人类。”

  大约20年前,科学家在一只小小的蛔虫中发现了RNAi通路这个自然发生的过程。该发现和后续工作显示出RNAi的生物医学潜力,为相关的科学家赢得了2006年的诺贝尔奖。植物中的RNAi则首次在矮牵牛(petunias)中被发现。育种者本来试图通过改变一个基因,得到更鲜艳的粉红色和紫色花朵,但他们最终得到的却是白色的花朵——控制花颜色的基因沉默了。

  “由于种皮中不同的花青素,大豆在被驯化之前是黑色或褐色的。” 与Vodkin一起从事该项研究的专家Sarah Jones说道。“育种者可以在提取过程中除去黑色素,避免大豆油和大豆粉变色。”

  Vodkin说:”黄色是一个自然发生的RNAi突变,可能是在大约10000年前、农业刚开始的阶段产生的。当人们发现了这些与众不同的黄色大豆,就将它们拾起并进行栽培。在野生大豆(wild soybean, Glycine sojae)种质资源中,你找不到黄色种子,只有深色种子。”

  该团队之前的研究显示,黄色大豆来源于涉及两个基因的自然发生的基因沉默过程。从本质上讲,其中一个基因阻止了黑色素前体产生。但研究人员不知道为什么黑色素有时会再出现,比如在鞍形图案大豆中。现在他们知道了。

  Vodkin和她的团队在位于伊利诺伊大学的美国农业部(USDA)大豆种质资源中心,寻找有特殊颜色的大豆。该中心包含几千种标本,一些标本早在1945年就被收集于此,代表了被驯化的大豆及其野生亲缘的遗传多样性。

  “我们当时在寻找有黑色鞍状图案的大豆。” Jones回忆说。“我们想知道它们是否从相同的基因获得这一图案。“

  团队利用现代基因测序技术,对56000个蛋白编码基因进行快速筛选,识别出那唯一一个编码鞍状图案的基因。第一作者Young Cho在研究生阶段就首次注意到Argonaute5基因存在一个缺陷。团队继续观察其它有鞍状图案的大豆,发现它们Argonaute5基因缺陷的情况略有不同。

  “这就证明你找到了正确的基因。”Vodkin说,“因为这些独立突变发生在相同基因的不同位点。”

  当Argonaute5基因有缺陷时,阻碍黑色素生成、产生黄色大豆的沉默过程通常不再发生。基因缺陷解释了为什么黑色素出现在鞍状图案大豆中。

  在该研究之前,几乎没有例子证实基因相互作用如何在自然发生系统中实现基因沉默。现在,生物工程师们利用基因工程技术使基因沉默,从而产生期望的结果,比如花的颜色、抗病性,增强的光合作用,以及许多其它的新颖应用。

  “黄色大豆如果不是自然产生的,而是人为改造的话。 “Vodkin说,“至少将耗资数百万美元,才能使每一颗黄色大豆都是转基因的成果。因此,它们的出现必然出自大自然之手。” Vodkin表示,这项研究还强调了大豆种质资源的价值,它保证了大豆多样性,以用于研究和育种。

  翻译:何成自菁

  审稿:林然

本文来自:环球科学
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