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「韶关太阳城」想要“高颜值”玉米,来这里找跳跃基因吧

时间:2020-01-11 16:53:09  浏览数:726

「韶关太阳城」想要“高颜值”玉米,来这里找跳跃基因吧

韶关太阳城,不知你有没有注意到,从菜市场买回来的玉米,有的是黄灿灿的,有的却像个大花脸,中间夹杂着紫色、白色的玉米粒?

其实,这是玉米的天性使然。玉米基因中有很多非常活跃的转座子,它们就像一支“小画笔”,跳到哪个基因上,就会抹去那里本来的“颜色”。因此导致籽粒颜色变化有一部分是转座子运动产生的。

转座子改变的不仅是玉米子粒颜色,还有株高、抗性、产量等几乎所有性状。这一独特的基因属性,引起了科学家们的兴趣。为了育种需要,我们不仅要抑制转座子跳跃带来的表型不稳定,同时也要利用转座子的跳跃选育优良品种。

近日,江苏省农业科学院种质资源所赵涵研究员团队、中国农业大学宋任涛教授团队和上海大学经过7年合作,创建了目前世界上最大的玉米转座子插入资源库,为全球玉米基因组研究提供重要遗传资源。相关研究报告近日发表在国际著名学术期刊《植物生理学》上。

玉米籽粒颜色变化的困惑

在日常生活中,我们常常能看到一些五颜六色的“花玉米”。在普通人看来,这并不是什么大不了的问题,因为吃起来口感并没有什么不同。

但是半个世纪前,美国科学家芭芭拉·麦克林托克却对此感到困惑,通过坚持不懈的研究最终发现了“跳跃基因”,也就是转座子。她也凭借着对转座子的开创性研究获得了诺贝尔奖。

转座子是染色体上一类可移动的dna片段,能够从染色体上的一个位置跳到另一个位置。“转座子在生命体中广泛地存在,但玉米中的转座子最多,占到dna分子的50%以上。这些具有转座能力的遗传因子,能够引发玉米基因组重排,使玉米品种遗传多样性增加。”据江苏省农科院种质资源与生物技术研究所副研究员周玲介绍,当转座子跳跃到某个有功能基因内部或邻近位点时,就会引起这个基因控制的功能丧失。

由于转座子的跳跃决定着玉米性状,故而研究人员希望通过控制转座子的跳跃,获得更加优化的品种。

1978年,科学家发现一种新的转座子体系——mu转座子家族。这是迄今为止植物中发现的转座活性以及诱变能力最强的转座元件。一般转座子跳跃影响的性状并不明显,而当mu转座子跳跃到某个基因后,可以使基因功能丧失,产生大量的突变表型,形成明显改变的性状。

在基因功能的研究中,突变体是最直接有效的材料。而mu转座子插入突变体库的创制,为玉米研究者提供了丰富的遗传资源。因此,国外学者多年前就开始以mu转座子供体材料与其他玉米自交系杂交,从中挑选插入诱变群体中的突变个体,并形成插入突变体库。

基因突变体库已向全球玉米研究人员开放

构建大型基因突变体库,已成为创造玉米种质、获得突变基因、分离克隆玉米重要功能基因,进而开展功能基因组学研究的重要方法之一。可以说,谁拥有了大型的基因突变体库,谁就可以走在相关研究的前沿。

过去,国内学者对某一个玉米性状进行研究时,需要向美国构建的uniformmu插入数据库申请突变体资源。“申请手续繁琐,且质量得不到保证,不利于国内相关领域的研究发展。”周玲说。

从2012年起,江苏省农科院与中国农业大学便开始合作构筑由mu活性系突变形成的基因突变体库。“构筑突变体资源库的原理,就是利用mu活性系与对照样本——b73自交系进行杂交,采用转座子标签分离技术结合第二代高通量测序技术,对材料中的mu转座子进行定位,从而形成大量的突变体材料。”周玲告诉记者。

通过年复一年的杂交种植,他们对20000多株样本逐一进行基因测序,筛选出2581株遗传性状显著的玉米,纳入基因突变体库。

经过7年努力,目前的突变体基因库获得了丰硕成果。他们在2581个突变体材料中,通过mu标签富集和高通量测序技术,结合生物信息学分析,以及大范围内验证插入位点的可遗传性,获得了约97000个可遗传插入位点,是美国插入数据库uniformmu的2倍。其中66565个位点为高质量可遗传插入,插入覆盖了玉米20244个(45.7%)基因,其中13425个基因存在两个及以上的插入。与美国的同质基因库相比,覆盖面更广,可供研究的性状也更多,对未来的玉米种质优化有着深远影响。

“我们基因突变体库还在补充完善之中,最终目标是形成4000多个突变体材料,获得更多的可遗传插入位点。”据周玲透露,这个基因突变体库的插入位点,已经对全球玉米研究人员开放共享。

实习生 雷浩然 科技日报记者 张晔

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