最新研究揭示水稻基因组中的“暗物质”

发布者:bpadmin
发布时间:2020-02-01 20:52
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我们现在广泛种植的水稻比其近亲野生稻种粒更饱满,淀粉含量更高。这是经多代优先分选和播种的结果。尽管水稻是第一种被完整测序的作物,但人类只记录了水稻的几个相较于野生稻的基因变化,而正是这样的变化使得大米成为世界一半以上人口主粮。



最新的研究发现,水稻中相当大一部分与选育相关的变化反映了人类对水稻性状的选择,而这些性状却是由不转录蛋白质的部分基因组决定。

最新研究发表在《科学进展》,其第一作者,来自中国农业科学院作物科学研究所的生物学家郑晓明表示,“全基因组分析揭示了非编码变异在水稻选育过程中复杂性状的作用。”另外两位作者,杨庆文和刘军,同样来自中国农业科学院作物科学研究所。圣路易斯华盛顿大学的肯尼思·M·奥尔森(Kenneth M.Olsen)是文章的通讯作者。

非编码RNA被广泛怀疑在调节植物生长和发育方面起着非常重要的作用,但它们的特征才刚刚开始得到认识。

通讯作者奥尔森表示,“尽管对作物驯化选育进行了近20年的基因组学和基因的研究,但我们对大多数作物物种的驯化性状的遗传基础仍然知之甚少。”

“早期的研究更倾向于那些‘低垂的果实’--只受一两个基因控制的简单性状,突变很容易被识别。更困难的是找出微妙的作物发育上的变化,而这些变化在作物选育过程中起到至关重要的作用。”

这项研究朝这个方向迈出的一步,通过检查水稻种粒发育的调控机制,其对于调节水稻种粒发育与驯化选育相关的变化至关重要。

性状的多样性

在许多动植物的染色体中,很大比例的DNA由不制造蛋白质的基因组成,占基因组的98%;然而,人们对这些遗传信息知之甚少。一些科学家称它们为基因组的“暗物质”,甚至将其斥为“垃圾DNA”,但它们似乎在水稻发育过程中扮演重大角色。

在这项研究中,研究人员发现,9000多年前水稻选育过程中发生的关键变化可能与名为长链非编码RNA(lncRNAs)有关,它是长度超过200个核苷酸的RNA分子。

研究人员发现,记录在水稻基因组中的大约36%的遗传信息可以追溯到非编码区,但就农业而言,有超过50%的重要性状与这块儿区域有关。郑晓明博士指出,“这是首次对栽培稻和野生稻非编码区的lncRNAs进行了深入的注释和描述。”

郑晓明博士表示:“我们的转基因实验和群体遗传分析提供了令人信服的证据,表明对lncRNAs的选择,改变了对淀粉合成和谷物着色起作用的基因的表达,促进了在选育驯化水稻过程中品质的变化。”

研究人员对数百个大米样本和超过260 GB的基因序列进行了研究,采用了灵敏的检测技术量化和跟踪水稻的lncRNA转录。这项研究证实了一些以前发现的lncRNAs,同时也提供了对以前未描述的分子的新信息。

这项研究也增加了我们对基因遗传学上的猜测,即动植物群体中的大多数适应性差异可能是由于基因调控而变化,而非蛋白质进化。郑晓明博士认为,在lncRNAs上的选择可能是一种更广泛的机制,通过它,全基因组的基因表达模式可以在许多物种中进化。

这项水稻研究也为通过精准育种开发新的作物品种打开了眼界,并有更多的可能。



文献引用:
X. M. Zheng, J. Chen, H. B. Pang, S. Liu, Q. Gao, J. R. Wang, W. H. Qiao, H. Wang, J. Liu, K. M. Olsen, and Q. W. Yang. Genome-wide analyses reveal the role of noncoding variation in complex traits during rice domesticationScience Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aax3619
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