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控制不同作物的共有休眠基因找到

调控作物休眠的基因终于被科学家找到了。9月24日,《自然—遗传》杂志刊登文章,介绍中科院遗传发育所田志喜课题组、储成才课题组联合美国乔治亚大学Scott A.Jackson教授等团队,在研究不同作物的平行选择过程中发现了能调控种子休眠的基因。

在自然条件下,野生植物种子成熟后都具有休眠特性,使其个体间具有不同的萌发时间。比如甲种子成熟可能10天后萌发,乙种子20天后萌发,丙种子30天后萌发。这样即便甲、乙萌发后遇到天灾,但丙会躲过天灾,总有植株会存活下来。

植物休眠长短不一会给农业生产带来问题,同时种的作物不会同时成熟。我们的祖先把野生植物逐步驯化成了休眠性减弱的农作物。由于休眠性状难以准确鉴定,休眠基因就成为生物学研究的最难问题之一。

今天的农作物都是经过野生植物驯化后的结果。科学家发现,虽然不同作物在驯化过程一般没有任何交叉,但在从野生种到栽培种的驯化过程中,一些性状表现出了趋同现象,比如成熟后都不会自动脱落,茎干都变得直立粗壮,种子休眠性减弱。

通过全基因组关联分析的方法,研究人员首次鉴定得到了控制大豆种皮成为绿色的G基因,发现G基因在大豆的驯化过程中受到强烈的选择,它还参与了对大豆种子休眠的调控。进一步研究又发现,G及其同源基因不止在大豆驯化中被选择,在水稻和番茄的驯化中也受到选择,而且在大豆、水稻等作物中都参与种子休眠的调控。

这是世界上首次报道的调控种子休眠的G基因在不同科的作物驯化中受到平行选择。该研究不仅增加了人们对植物驯化过程的理解,还具有重要的应用价值。

据遗传所网站消息:作物驯化基因平行选择研究取得重要进展

作物驯化是农业发展中最重要的事件之一。作物驯化过程中,一些重要农艺性状表现出趋同驯化的特征,这些特征综合在一起被称为“驯化综合征”。控制这些性状的基因是否在不同物种驯化中受到平行选择一直是进化研究中的重要科学问题。迄今为止,同一基因在不同科作物驯化中受到平行选择仍未见报道。种子休眠减弱是一个典型的“驯化综合征”相关农艺性状。由于种子休眠表型难以鉴定,目前在作物驯化中受到选择的控制种子休眠基因报道极少,也是最难研究的驯化性状之一。

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究组和储成才研究组合作,联合美国乔治亚大学Scott Jackson教授等团队,通过全基因组关联分析,鉴定到一个控制大豆种皮绿色的G基因。有意思的是,G基因在大豆驯化过程中受到选择,且与大豆种子休眠减弱相关。进一步研究发现,G在水稻和番茄中的同源基因在驯化过程中也受到选择。遗传学实验同样证明,G在水稻驯化中同样与种子休眠减弱相关。此外,拟南芥中该基因的同源基因也参与种子休眠调控,且野生群体中不同单倍型在休眠特性上也存在明显差异。生化分析表明,G蛋白可能通过与调控植物休眠激素脱落酸(ABA)合成蛋白NCED3、PSY相互作用,调节ABA在种子中的积累,从而影响种子休眠。该基因是首个被发现在多个科作物驯化中受到平行选择的基因,这对于新物种的驯化具有重要指导意义。

研究成果于2018年9月24日在线发表于Nature Genetics杂志(DOI:10.1038/s41588-018-0229-2)。田志喜研究组王敏同学、房超博士、刘羽诚同学与储成才研究组李文振同学、徐凡博士为该论文共同第一作者,田志喜研究员、储成才研究员与Scott Jackson为共同通讯作者。该研究得到了中科院战略先导研究计划、国家自然科学基金委的资助。

图:种子休眠调控基因G在大豆和水稻中受到平行选择

(A) 大豆突变位点的基因型频率分布。(B) 大豆野生型东农50与互补转基因植株种子萌发。(C) 野生水稻和栽培品种两个亚种籼稻和粳稻的FST值。(D) 水稻野生型ZH11与互补转基因植株种子萌发。(E) G蛋白可能的工作模型。


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