2019-12-12 17:37:41 雷浩然 張 曄
我科學(xué)家創(chuàng)建世界上最大轉(zhuǎn)座子插入資源庫
想要“高顏值”玉米，來這里找跳躍基因吧
五顏六色的玉米突變體籽粒 受訪者供圖
實(shí)習(xí)生 雷浩然 本報(bào)記者 張 曄
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(gè)大花臉，中間夾雜著紫色、白色的玉米粒？
其實(shí)，這是玉米的天性使然。玉米基因中有很多非?；钴S的轉(zhuǎn)座子，它們就像一支“小畫筆”，跳到哪個(gè)基因上，就會抹去那里本來的“顏色”。因此導(dǎo)致籽粒顏色變化有一部分是轉(zhuǎn)座子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
轉(zhuǎn)座子改變的不僅是玉米子粒顏色，還有株高、抗性、產(chǎn)量等幾乎所有性狀。這一獨(dú)特的基因?qū)傩?，引起了科學(xué)家們的興趣。為了育種需要，我們不僅要抑制轉(zhuǎn)座子跳躍帶來的表型不穩(wěn)定，同時(shí)也要利用轉(zhuǎn)座子的跳躍選育優(yōu)良品種。
近日，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種質(zhì)資源所趙涵研究員團(tuán)隊(duì)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)宋任濤教授團(tuán)隊(duì)和上海大學(xué)經(jīng)過7年合作，創(chuàng)建了目前世界上最大的玉米轉(zhuǎn)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(guān)研究報(bào)告近日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《植物生理學(xué)》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?yàn)槌云饋砜诟胁]有什么不同。
但是半個(gè)世紀(jì)前，美國科學(xué)家芭芭拉·麥克林托克卻對此感到困惑，通過堅(jiān)持不懈的研究最終發(fā)現(xiàn)了“跳躍基因”，也就是轉(zhuǎn)座子。她也憑借著對轉(zhuǎn)座子的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
轉(zhuǎn)座子是染色體上一類可移動(dòng)的DNA片段，能夠從染色體上的一個(gè)位置跳到另一個(gè)位置。“轉(zhuǎn)座子在生命體中廣泛地存在，但玉米中的轉(zhuǎn)座子最多，占到DNA分子的50%以上。這些具有轉(zhuǎn)座能力的遺傳因子，能夠引發(fā)玉米基因組重排，使玉米品種遺傳多樣性增加。”據(jù)江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所副研究員周玲介紹，當(dāng)轉(zhuǎn)座子跳躍到某個(gè)有功能基因內(nèi)部或鄰近位點(diǎn)時(shí)，就會引起這個(gè)基因控制的功能喪失。
由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座子的跳躍，獲得更加優(yōu)化的品種。
1978年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新的轉(zhuǎn)座子體系——Mu轉(zhuǎn)座子家族。這是迄今為止植物中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座活性以及誘變能力最強(qiáng)的轉(zhuǎn)座元件。一般轉(zhuǎn)座子跳躍影響的性狀并不明顯，而當(dāng)Mu轉(zhuǎn)座子跳躍到某個(gè)基因后，可以使基因功能喪失，產(chǎn)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(zhuǎn)座子插入突變體庫的創(chuàng)制，為玉米研究者提供了豐富的遺傳資源。因此，國外學(xué)者多年前就開始以Mu轉(zhuǎn)座子供體材料與其他玉米自交系雜交，從中挑選插入誘變?nèi)后w中的突變個(gè)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(gòu)建大型基因突變體庫，已成為創(chuàng)造玉米種質(zhì)、獲得突變基因、分離克隆玉米重要功能基因，進(jìn)而開展功能基因組學(xué)研究的重要方法之一?？梢哉f，誰擁有了大型的基因突變體庫，誰就可以走在相關(guān)研究的前沿。
過去，國內(nèi)學(xué)者對某一個(gè)玉米性狀進(jìn)行研究時(shí)，需要向美國構(gòu)建的UniformMu插入數(shù)據(jù)庫申請突變體資源。“申請手續(xù)繁瑣，且質(zhì)量得不到保證，不利于國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展。”周玲說。
從2012年起，江蘇省農(nóng)科院與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)便開始合作構(gòu)筑由Mu活性系突變形成的基因突變體庫。“構(gòu)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(jìn)行雜交，采用轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽分離技術(shù)結(jié)合第二代高通量測序技術(shù)，對材料中的Mu轉(zhuǎn)座子進(jìn)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(fù)一年的雜交種植，他們對20000多株樣本逐一進(jìn)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(jīng)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(gè)突變體材料中，通過Mu標(biāo)簽富集和高通量測序技術(shù)，結(jié)合生物信息學(xué)分析，以及大范圍內(nèi)驗(yàn)證插入位點(diǎn)的可遺傳性，獲得了約97000個(gè)可遺傳插入位點(diǎn)，是美國插入數(shù)據(jù)庫UniformMu的2倍。其中66565個(gè)位點(diǎn)為高質(zhì)量可遺傳插入，插入覆蓋了玉米20244個(gè)（45.7%）基因，其中13425個(gè)基因存在兩個(gè)及以上的插入。與美國的同質(zhì)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(zhì)優(yōu)化有著深遠(yuǎn)影響。
“我們基因突變體庫還在補(bǔ)充完善之中，最終目標(biāo)是形成4000多個(gè)突變體材料，獲得更多的可遺傳插入位點(diǎn)。”據(jù)周玲透露，這個(gè)基因突變體庫的插入位點(diǎn)，已經(jīng)對全球玉米研究人員開放共享。
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