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研究人员揭开了甘蔗基因组的神秘面纱
发表日期:2019-04-21 00:13| 来源 :本站原创 | 点击数:
本文摘要:几个世纪以来,甘蔗为人类社会供给了酒精,生物燃料,建筑和编织材料,以及世界上最依赖的糖源。此刻,研究人员从甘蔗中提取了一个甜美的科学奖:它复杂而复杂的基因组序列,这可能会导致更强壮和更高产的品种的成长。 制造全面的序列需要来自16个机构的100

  几个世纪以来,甘蔗为人类社会供给了酒精,生物燃料,建筑和编织材料,以及世界上最依赖的糖源。此刻,研究人员从甘蔗中提取了一个甜美的科学奖:它复杂而复杂的基因组序列,这可能会导致更强壮和更高产的品种的成长。

  制造全面的序列需要来自16个机构的100多名科学家的配合勤奋; 这项工作花了五年时间,最终出书了Nature Genetics的出书物。可是,处理这个项目标动机早就呈现了。

  “就小我而言,我等了20年才对这个基因组进行测序,”伊利诺伊大学动物生物学传授雷明说,他煽惑并带领了测序工作。“当我在20世纪90年代后期研究甘蔗基因组图谱时,我胡想有一个甘蔗的参考基因组。” Ming是Carl R. Woese基因组生物学研究所的成员,该研究所是一群研究甘蔗和相关作物以推进食物和生物燃料出产的研究人员之一。

  在全基因组序列是值得期待的,并因为其潜在的勤奋,以协助改善甘蔗的勤奋。大大都农人种植的甘蔗是两种物种的夹杂物:甘蔗(Saccharum officinarum),其发展具有高糖含量的大型动物;以及甘蔗自觉体,其较小的尺寸和甜度被添加的抗病性和对情况勒迫的耐受性抵消。因为缺乏完整的基因组序列,动物育种者通过几代杂交和选择发生了高产,强壮的菌株,但这是一个依赖时间和命运的艰忧伤程。

  “甘蔗是第五大最有价值的作物,缺乏参考基因组障碍了甘蔗改良的基因组研究和分子育种,”Ming说。“......测序手艺还没有预备益处理大型同源多倍体基因组,直到2015年第三代测序手艺的吞吐量,读取长度和成本[例如生物手艺公司Pacific Biosciences开辟的]变得足够具有合作力。”

  为什么对甘蔗基因组进行测序如斯坚苦?动物中常见的天然现象形成了严重的手艺妨碍。在甘蔗的进化汗青中的某个期间,它的基因组被反复了两次,导致每对染色体的四个略有分歧的版本都挤在统一个焦点中。

  这些事务不只使基因组的大小添加了四倍(因而DNA序列的体积也很大),它们也使得基因组范畴内的反复序列高度类似,更难以拆卸成分歧的染色体。基因组DNA凡是以小的堆叠片段进行测序或读取,来自这些片段的序列数据变成庞大的线性拼图的堆叠片段。跟着甘蔗基因组大小翻倍,再次翻倍,这个难题不只变得更大; 它采用了反复但不完全不异的元素,很多小块很难准确地顺应这些元素。

  为了降服这一挑战,测序团队利用了一种称为高通量染色质构象捕捉或Hi-C的手艺。这种方式使研究人员可以或许发觉染色体DNA长而缠结的部门哪些部门在细胞内彼此接触。当利用由团队开辟的称为ALLHIC的定制算法进行阐发时,获得的数据用于拼图拼图盒盖上的图片的目标,供给粗略地图,此中序列的哪些部门最可能属于哪个染色体。

  “最大的欣喜是,通过连系长序列读数和Hi-C物理图谱,我们将同源四倍体[四倍]基因组拆卸成32条染色体,并实现了同源染色体中等位基因特同性正文的方针,”Ming说。换句话说,研究人员此刻晓得哪些基因序列属于原始的反复前基因组中的四种变异中的每一种 - 比他们预期的更高程度的细节。

  有了这些消息,研究人员能够构成关于甘蔗基因组进化史的奥妙的更好假设。

  通过与相关物种的基因组进行比力,研究人员晓得,在某些时候,奇特染色体的数量曾经从10个削减到8个。令团队惊讶的是,新的序列数据显示两条分歧的染色体曾经分隔,然后所有四个半部门都融合到分歧的现有染色体上,这是一组比它们假设的更复杂的事务。

  理解这些物理变化有何协助?跟着基因组内的这些大的物理重排,受影响区域中的基因发生变化。例如,Ming和他的同事们发觉,移植到新位置的大块染色体含有更多的基因,这些基因能够协助动物抵当疾病,而不是其他处所。

  “它处理了一个谜,为什么S. spontaneum是如斯优胜的抗病和抗逆基因来历,”Ming说。“染色体重排可能是缘由,而不是这种富集的成果,虽然这种富集的强调机制仍有待研究。这一发觉将加快挖掘曾经融入优秀现代甘蔗杂交品种的抗病基因的无效等位基因,以及随后实施分子育种[甘蔗]。“

  高质量的基因组序列也使研究人员可以或许确定现代甘蔗令人难以相信的甜味的可能来历:即便在甜度较低的S. spontaneum中,也会发生多个糖基转运基因拷贝的突变。他们还可以或许察看到,在S. officinarum和S. spontaneum之间的杂交中,来自S. spontaneum的DNA序列在整个杂交基因组中随机分离。

  “ALLHIC方式已被证明对建立同源多倍体甘蔗基因组无效,”Ming说。他估计成功用于甘蔗 基因组的手艺也将有助于研究人员对其他复杂基因组进行测序。

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