科學家利用玉米基因組揭示了其秘密歷史及“跳躍基因”

據外媒報道,人類通過語言和文化適應環境並將知識代代相傳。由於玉米不能說話,所以它們會用另一種方式解決適應性問題:它們使用“跳躍基因”在幾代之間重組基因。跳躍基因–現在稱為轉座子–是諾貝爾獎得主冷泉港實驗室(CSHL)的遺傳學家Barbara McClintock在20世紀40年代發現的。

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幾十年後,CSHL的科學家們仍在擴展她的工作。CSHL的兼職教授、美國農業部(USDA)的研究科學家Doreen Ware和她的同事在《科學》上發表了26種不同玉米品種的基因組序列。這些基因組描述了在現代玉米植株中發現的很大一部分遺傳多樣性,其中包括轉座子和調控作物所需性狀的基因。

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從溫帶到熱帶,從高地到低地,玉米已經被培育在世界上不同的氣候條件下生長。Ware說道:

“人類有大腦。我們主要的適應因素是我們轉移文化和知識的能力,對吧?這就是我們應對環境的方式。植物的策略是擁有一個流動的基因組。它們跟這些轉座子有着非常密切的關係,它們利用這些轉座子帶來新的遺傳多樣性,這樣它們就可以處理這些事件,因為它們不能逃跑。”

Ware和她的同事–包括CSHL教授和HHMI研究員Rob Martienssen和CSHL教授W. Richard McCombie–在2009年繪製了第一個玉米基因組。從那時起,他們就一直在填補空白。就像大陸景觀一樣,基因組地圖上的區域充滿了各種特徵,而其他區域則更像沙漠,廣闊而無知。通過利用最新的技術,科學家團隊繪製出了複雜的基因組圖譜,甚至還包括了沙漠。這些完整的基因組使研究人員能夠定位和研究重要的作物基因及調控它們使用的附近區域。Ware指出:“我們以前很少接觸到玉米的監管架構。”

新收集揭示了玉米基因組是如何隨着時間的推移而洗牌的。Ware說道:“這些基因組為我們提供了那個生命史的足跡。不同的菌株經歷了不同的環境。如一些人來自熱帶環境,另一些人經歷了特定的疾病,所有這些選擇壓力都留下了歷史的印記。”

玉米是世界上最常見的農作物之一,2018年至2019年,美國玉米產量超過3.66億噸。有了更詳細的玉米基因組圖,科學家們在開發應對快速變化的氣候的作物方面有了先機。Ware表示:“20年後,中西部地區將不會有同樣的溫度分佈。這些基因組為玉米遺傳學提供了更廣泛的見解,反過來,這也可以用來開始優化玉米從而使其在未來環境中生長。”

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