成功的基因组合意味着一切

燕麦幼苗根系在紫外线下发光是由于抗微生物的三萜燕麦蛋白的积累。燕麦天生只在根尖表皮细胞内产生燕麦蛋白,这可以保护它们免受土壤病原体的侵害。
图片由约翰英尼斯中心奥斯本实验室的研究人员提供

研究人员已经追踪了使燕麦抵抗致命作物全蚀病的生物途径的最后几步。

这一发现为保护小麦和其他谷物免受土壤传播的根系病害的新方法创造了机会。

研究小组已经成功地重建了模型植物本塔米亚烟草的自卫系统,迈出了实现这一目标的第一步。

与剑桥大学的国家植物研究所(NIAB)合作,已经启动了在小麦更复杂的基因组中建立燕麦酸生物合成途径的进一步实验,以测试它是否能对全病和其他疾病提供同样的抗性。

由约翰·英尼斯中心和中国科学院合作的CEPAMS的研究也为塑造植物基因组结构和适应性进化的机制提供了新的见解。

燕麦素是燕麦根中合成的抗菌化合物,它们可以保护人体免受土壤传播的疾病,如全蚀病。该病原菌对小麦产量造成巨大损失,目前尚无有效的防治手段。

小麦和其他谷物和草类不会产生这些化合物,但更好地了解它们在燕麦中是如何产生的,将为作物科学家提供利用现代技术创造抗病小麦品种所需的知识。

早期的实验已经鉴定并克隆了燕麦基因组中发现的10个燕麦酸生物合成途径基因。

在这项研究中,中国科学院韩斌教授的团队使用基因组学驱动的方法,对12个基因进行测序,研究团队阐明了完整的通路。

他们发现,基因在基因组中相邻聚集,就像串在一起的珠子,并且沿着染色体排列,大致与生物合成途径的顺序相同——就像按成分顺序排列的食谱。

燕麦素基因簇位于燕麦1号染色体单臂末端。它的排列方式是,早期途径基因更靠近染色体的末端(端粒),而晚期途径基因更靠近染色体的末端。

该团队推测,这可能是因为后期燕麦酸途径中的基因突变会导致对植物生长产生负面影响的化合物积累,而早期途径中的基因突变则不会。

这些晚期途径基因远离端粒区域意味着植物不太可能受到毒素的影响。

与其他谷物和草类的基因组序列进行比较后,研究人员发现燕麦酸簇是由于燕麦与其他植物物种的差异而形成的,研究人员推测,这是由于一组特定的选择压力。

该研究的联合通讯作者安妮·奥斯本教授和韩斌教授说:“我们的调查显示,植物基因组能够打乱和进化它们的基因,使它们能够适应特定的压力——在这种情况下,适应全蚀病等土壤传播的真菌疾病。”在这个过程中,能够提供选择优势的获胜基因组合可以被招募,并从基因组周围重新定位,然后组装成一簇,就像一串珠子一样。这种聚类将使成功的基因集代代相传,并减轻与相关有害影响的途径基因的不完全遗传。”

这项研究为包括药物在内的不同类型的化合物提供了植物生物合成基因簇的最新例子。

对这些类型的基因组组织在植物王国中有多广泛的调查取决于为更广泛的植物产生新的基因组序列。

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随着地球生物基因组计划和达尔文生命树计划等新的大规模基因组序列计划的启动,这应该成为可能。

研究:多基因途径的抗微生物防御化合物亚端粒组装在谷物中出现自然通讯http://dx。doi。org/10.1038 /s41467 - 021 - 22920 - 8

媒体接触

艾德里安·加尔文
约翰英纳斯中心

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