《我科学家为培育美味番茄品种提供新工具》

  • 来源专题:转基因动植物新品种培育
  • 编译者: Zhao
  • 发布时间:2018-01-15
  • 1月12日,中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究员领衔的科研团队在番茄风味品质研究中取得重大突破。科学家利用大数据分析,揭示了番茄在驯化和育种过程中营养和风味物质发生的变化,及其调控位点,为番茄果实风味、营养物质的遗传调控和全基因组设计育种提供了路线图。相关科研论文在国际顶尖生命科学领域期刊《细胞(Cell)》2018年第1期发表,这是中国农科院第一次在该刊上发表文章,也是今年中国科学家在该刊上发表的第一篇文章。

    番茄是世界第一大果蔬作物,具有重要的经济价值。黄三文带领科研团队利用多重组学的大数据,揭示了在驯化和育种过程中番茄果实的营养和风味物质发生的变化,并发现了调控这些物质的重要遗传位点,为植物代谢物的分子机理研究提供了源头大数据和方法创新。同时,该研究结果为番茄果实风味和营养物质的遗传调控和全基因组设计育种提供了路线图。据悉,《细胞(Cell)》同期发表的评述文章认为:该项研究加深了对作物品质化学的科学认识,将推动高品质品种培育,最终消费者能够从风味更佳、营养更好的食品供应中获益。

    自2004年起,黄三文带领科研团队积极参与番茄基因组测序任务。经过10余年的潜心研究,广泛收集了全球600多份不同类型的番茄种质资源,并开展了基因组、转录组、代谢组等多组学分析,产生了约7 Tb的原始序列数据,数据分析获得了2600万个基因组变异位点、3万多个基因的表达量和980种果实代谢物的群体多组学数据,构建了全球最大园艺作物组学数据库。同时,利用基因组学技术阐明了番茄从野生番茄成大果栽培番茄的人工驯化过程,发现了现代番茄风味的丢失的基因调控机制,并发现了控制番茄风味的多个调控路径,为更为营养美味番茄的设计育种提供了路线图。成果自2012年后陆续发表在《自然遗传学(nature genetics)》《科学(Science)》等国际顶级学术期刊上,实现了我国在该领域上由“跟跑”转为“领跑”。

    该论文的第一作者为黄三文实验室博士后祝光涛、共同第一作者为罗杰实验室的博士研究生王守创,通讯作者为黄三文研究员和罗杰教授。该项研究是中国农科院基因组所与蔬菜花卉研究所、华中农业大学、美国佛罗利达大学、美国佐治亚大学、德国马普研究所的合作成果,得到了科技部、基金委、中国农科院创新工程和广东省、深圳市的支持。

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  • 《利用番茄跳跃基因可以帮助培育抗旱作物 》

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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-09-23
    • 一旦被视为毫无用处的“垃圾DNA”,西红柿中发现的“跳跃基因”家族就有可能加速作物育种,提高抗旱性等性状。 剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)和植物科学系的研究人员发现,干旱胁迫触发了一系列跳跃基因(Rider逆转录转座子)的活性,该基因以前已知会促进番茄的果实形状和颜色。他们在今天的《 PLOS Genetics》杂志上发表的对Rider的表征表明,Rider家族也存在于其他农作物中,并且可能在其他农作物中活跃,这突显了其作为新性状变异来源的潜力,可以帮助植物更好地应对由Fed驱动的更极端条件我们不断变化的气候。 Matthias Benoit博士说:“转座子具有改善作物的巨大潜力。它们是性状多样性的强大驱动力,尽管我们一直在利用这些性状来世代改良我们的作物,但现在我们开始了解其中涉及的分子机制。”该论文的第一作者,曾在SLCU工作。 转座子,通常被称为跳跃基因,是可移动的DNA代码片段,可以将自身复制到基因组中的新位置-生物体的遗传密码。它们可以改变,破坏或扩增基因,或完全没有作用。直到1940年代,诺贝尔奖获得者科学家芭芭拉·麦克林托克(Barbara McClintock)才在玉米粒中发现了这一点,直到现在,科学家们才意识到转座子根本不是垃圾,而是实际上在进化过程中以及在改变基因表达和植物的物理特性中起着重要作用。 。 利用植物中已经存在的跳跃基因来产生新的特性将是传统育种技术的重大飞跃,这使得在传统上经过育种以产生均匀形状,颜色和大小以增加收成的农作物中快速产生新性状成为可能。高效并最大化产量。它们将使新特性的多样性得以产生,然后可以通过基因靶向技术对其进行改良和优化。 “在诸如番茄田这样的大型种群中,每个个体都激活了转座子,我们希望看到许多新特性。通过控制植物中的这种'随机突变'过程,我们可以加快这一过程,产生了我们甚至无法想象的新表型。”该论文的合著者SLCU的Hajk Drost博士说。 当今的基因靶向技术非常强大,但通常需要对基础基因有一定的功能了解才能产生有用的结果,并且通常只靶向一个或几个基因。转座子活性是植物中已经存在的一种天然工具,可用于产生新的表型或抗性并补充基因靶向作用。使用转座子提供了一种无转基因的育种方法,该方法认可了当前欧盟有关转基因生物的法律。 这项工作还表明,车手存在于几种植物中,包括具有经济意义的农作物,例如油菜籽,甜菜根和藜麦。这种丰富的数量鼓励人们进一步研究如何以受控方式激活它,或者将其重新激活或重新引入当前具有静音Rider元素的植物中,以便重新获得其潜力。与传统方法相比,这种方法具有显着减少育种时间的潜力。 贝诺伊特说:“鉴定出骑手的活动是由干旱引起的,这表明它可以建立新的基因调控网络,从而帮助植物应对干旱。” “这意味着我们可以利用Rider来对作物中已经存在的基因提供干旱响应,从而培育出更能适应干旱胁迫的作物。在全球变暖时期,这尤其重要,因为那里迫切需要培育更具抗逆性的作物。 “ 这项工作得到了欧洲研究理事会和盖茨比慈善基金会的支持。 ——文章发布于2019年9月16日
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    • 人类的食欲改变了番茄的DNA等等。经过几个世纪的培育,这种曾经只有豌豆大小的南美浆果现在有了各种各样的形状和大小,从樱桃状到巨大的传家宝果实。 如今,科学家们正在梳理这些物理变化是如何在基因水平上表现出来的——这项工作可以指导现代对番茄进行调整,霍华德休斯医学研究所的研究员扎卡里·李普曼说。 他和同事们现在已经在100种番茄的基因组中发现了长期隐藏的突变,其中包括一种来自加拉帕戈斯群岛的橙浆果野生植物,以及通常被加工成番茄酱和酱汁的品种。 他们的分析发表在2020年6月17日的《细胞》杂志上,是对这种突变最全面的评估。李普曼说,这项研究可能导致新的番茄品种的产生和现有品种的改进。研究人员表示,他的团队发现的一些突变改变了关键特征,比如味道和重量。 冷泉港实验室的植物遗传学家李普曼说,此前的研究早就表明,这些突变存在于植物基因组中。“但直到现在,我们还没有一个有效的方法来发现它们并研究它们的影响,”他说。 一扇通往基因组的窗户 生物体细胞内携带的四种DNA字母的突变或变化会改变其物理特性。研究植物的科学家通常把注意力集中在一种小的、易于控制的突变上,即一个DNA字母被另一个DNA字母替换。 Lippman的研究小组所研究的突变要大得多——它们通过复制、删除、插入或将DNA的长片段移到基因组的其他地方来修改DNA的结构。这些突变,也被称为结构变异,在整个生命世界都有发生。例如,对人类的研究已经将这些变异与精神分裂症和自闭症等疾病联系起来。 科学家可以通过读出DNA的字母来识别突变,这种技术被称为基因测序。然而,李普曼说,这项技术的局限性使解码长段DNA变得困难。因此,研究人员还无法获得基因组结构突变的完整图像。 Michael puruganan在纽约大学研究水稻和椰枣,他没有参与这项新的研究,他说,尽管如此,植物遗传学家还是怀疑这些突变对植物的特性有重大贡献。“这就是为什么这篇论文如此令人兴奋的原因,”他说。李普曼说,他的团队不仅在番茄及其野生近亲中发现了这些突变,而且还确定了它们在植物内部的功能。 未来番茄指南 这项新研究是与约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的迈克尔·沙茨(Michael Schatz)等人合作完成的,利用一种名为“长读测序”(long-read sequencing)的技术,确定了番茄中超过20万个结构性突变。李普曼将其比作通过全景窗口观察基因组的大部分。他说,相比之下,更传统的测序方法只能提供一个窥视孔。 他们发现的大多数突变不会改变编码特征的基因。但是李普曼说,有一点是明确的,即许多这些突变改变了控制基因活动的机制。例如,其中一种基因控制着番茄果实的大小。通过改变DNA结构——在这种情况下,就是基因拷贝的数量——李普曼的团队能够改变水果的产量。缺乏该基因的植物永远不会结出果实,而拥有三份该基因副本的植物比只有一份副本的植物结出的果实要大30%。 李普曼的团队还展示了DNA结构是如何影响特征的,他称之为“非常复杂”的例子。他们指出,要将一种主要收获性状培育成现代番茄,需要同时发生四种结构性突变。 李普曼说,这类见解可以帮助解释其他作物的性状多样性,并使育种者能够改进品种。他说,例如,在小樱桃(番茄的近亲)上添加一个额外的大小基因副本,可能会使它们变得更大,从而增加它们的吸引力。 他说:“农业领域的圣杯之一是能够说,‘如果我使这个基因发生突变,我知道输出结果会是什么。’”“该领域正在朝着这种可预测育种的方向迈出重要的一步。”