2019-12-12 17:37:41 雷浩然 張 曄
我科學家創(chuàng)建世界上最大轉座子插入資源庫
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
實習生 雷浩然 本報記者 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，有的卻像個大花臉，中間夾雜著紫色、白色的玉米粒？
其實，這是玉米的天性使然。玉米基因中有很多非常活躍的轉座子，它們就像一支“小畫筆”，跳到哪個基因上，就會抹去那里本來的“顏色”。因此導致籽粒顏色變化有一部分是轉座子運動產生的。
轉座子改變的不僅是玉米子粒顏色，還有株高、抗性、產量等幾乎所有性狀。這一獨特的基因屬性，引起了科學家們的興趣。為了育種需要，我們不僅要抑制轉座子跳躍帶來的表型不穩(wěn)定，同時也要利用轉座子的跳躍選育優(yōu)良品種。
近日，江蘇省農業(yè)科學院種質資源所趙涵研究員團隊、中國農業(yè)大學宋任濤教授團隊和上海大學經過7年合作，創(chuàng)建了目前世界上最大的玉米轉座子插入資源庫，為全球玉米基因組研究提供重要遺傳資源。相關研究報告近日發(fā)表在國際著名學術期刊《植物生理學》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，因為吃起來口感并沒有什么不同。
但是半個世紀前，美國科學家芭芭拉·麥克林托克卻對此感到困惑，通過堅持不懈的研究最終發(fā)現了“跳躍基因”，也就是轉座子。她也憑借著對轉座子的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾獎。
轉座子是染色體上一類可移動的DNA片段，能夠從染色體上的一個位置跳到另一個位置。“轉座子在生命體中廣泛地存在，但玉米中的轉座子最多，占到DNA分子的50%以上。這些具有轉座能力的遺傳因子，能夠引發(fā)玉米基因組重排，使玉米品種遺傳多樣性增加。”據江蘇省農科院種質資源與生物技術研究所副研究員周玲介紹，當轉座子跳躍到某個有功能基因內部或鄰近位點時，就會引起這個基因控制的功能喪失。
由于轉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座子的跳躍，獲得更加優(yōu)化的品種。
1978年，科學家發(fā)現一種新的轉座子體系——Mu轉座子家族。這是迄今為止植物中發(fā)現的轉座活性以及誘變能力最強的轉座元件。一般轉座子跳躍影響的性狀并不明顯，而當Mu轉座子跳躍到某個基因后，可以使基因功能喪失，產生大量的突變表型，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，國外學者多年前就開始以Mu轉座子供體材料與其他玉米自交系雜交，從中挑選插入誘變群體中的突變個體，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
構建大型基因突變體庫，已成為創(chuàng)造玉米種質、獲得突變基因、分離克隆玉米重要功能基因，進而開展功能基因組學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，誰就可以走在相關研究的前沿。
過去，國內學者對某一個玉米性狀進行研究時，需要向美國構建的UniformMu插入數據庫申請突變體資源。“申請手續(xù)繁瑣，且質量得不到保證，不利于國內相關領域的研究發(fā)展。”周玲說。
從2012年起，江蘇省農科院與中國農業(yè)大學便開始合作構筑由Mu活性系突變形成的基因突變體庫。“構筑突變體資源庫的原理，就是利用Mu活性系與對照樣本——B73自交系進行雜交，采用轉座子標簽分離技術結合第二代高通量測序技術，對材料中的Mu轉座子進行定位，從而形成大量的突變體材料。”周玲告訴記者。
通過年復一年的雜交種植，他們對20000多株樣本逐一進行基因測序，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個突變體材料中，通過Mu標簽富集和高通量測序技術，結合生物信息學分析，以及大范圍內驗證插入位點的可遺傳性，獲得了約97000個可遺傳插入位點，是美國插入數據庫UniformMu的2倍。其中66565個位點為高質量可遺傳插入，插入覆蓋了玉米20244個（45.7%）基因，其中13425個基因存在兩個及以上的插入。與美國的同質基因庫相比，覆蓋面更廣，可供研究的性狀也更多，對未來的玉米種質優(yōu)化有著深遠影響。
“我們基因突變體庫還在補充完善之中，最終目標是形成4000多個突變體材料，獲得更多的可遺傳插入位點。”據周玲透露，這個基因突變體庫的插入位點，已經對全球玉米研究人員開放共享。
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