DNA和所有。經(jīng)過(guò)數(shù)百年的育種，曾經(jīng)是南美豌豆大小的南美漿果，如今已具有各種形狀和大小，從像櫻桃到繁重的傳家寶水果。

霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員扎卡里·利普曼說(shuō)，如今，科學(xué)家們正在研究這些物理變化如何在基因水平上顯現(xiàn)出來(lái)，這些工作可以指導(dǎo)現(xiàn)代調(diào)整番茄的工作。

他和他的同事現(xiàn)在已經(jīng)在100種番茄的基因組中發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)期隱蔽的隱藏突變，其中包括來(lái)自加拉帕戈斯群島的橘子野生植物和通常加工成番茄醬和調(diào)味醬的品種。

他們對(duì)2020年6月17日發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的分析是對(duì)任何植物進(jìn)行的此類突變(改變DNA的長(zhǎng)片段)的最全面評(píng)估。利普曼說(shuō)，這項(xiàng)研究可能會(huì)導(dǎo)致番茄新品種的產(chǎn)生和現(xiàn)有番茄品種的改良。研究人員顯示，他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾個(gè)突變，這些突變改變了關(guān)鍵特性，例如風(fēng)味和重量。

冷泉港實(shí)驗(yàn)室的植物遺傳學(xué)家利普曼說(shuō)，以前的研究早就表明這些突變存在于植物基因組中。他說(shuō)：“但是直到現(xiàn)在，我們還沒(méi)有找到它們并研究其影響的有效方法。”

進(jìn)入基因組的窗口

生物體細(xì)胞內(nèi)攜帶的四種類型的DNA字母的突變或變化會(huì)改變其物理特性。研究植物的科學(xué)家通常將注意力集中在一種小的，易處理的突變上，在這種突變中，一個(gè)DNA字母被交換為另一個(gè)。

Lippman團(tuán)隊(duì)研究的突變更大—它們通過(guò)復(fù)制，刪除，插入或?qū)NA的長(zhǎng)片段復(fù)制到基因組中的其他位置來(lái)修飾DNA的結(jié)構(gòu)。這些突變也稱為結(jié)構(gòu)變異，遍布整個(gè)生活世界。例如，人類研究已將這些變異與精神分裂癥和自閉癥等疾病聯(lián)系起來(lái)。

科學(xué)家可以使用一種稱為基因測(cè)序的技術(shù)，通過(guò)讀出DNA字母來(lái)識(shí)別突變。Lippman說(shuō)，由于這項(xiàng)技術(shù)的局限性，很難對(duì)長(zhǎng)段DNA進(jìn)行解碼。因此研究人員無(wú)法捕獲基因組中結(jié)構(gòu)突變的完整圖片。

即便如此，植物遺傳學(xué)家仍懷疑這些突變會(huì)極大地影響植物的性狀，邁克爾·普魯加甘(Michael Purugganan)說(shuō)，他在紐約大學(xué)研究水稻和棗椰子，但并未參與這項(xiàng)新研究。他說(shuō)：“這就是為什么本文如此令人興奮的原因。”他說(shuō)，利普曼的研究小組不僅在番茄及其野生近緣種中發(fā)現(xiàn)了這些突變，而且還確定了它們?cè)谥参镏械墓δ堋?/p>

未來(lái)西紅柿指南

這項(xiàng)新研究與約翰·霍普金斯大學(xué)的邁克爾·沙茨(Michael Schatz)等人合作，使用一種稱為長(zhǎng)讀測(cè)序的技術(shù)，鑒定出番茄中超過(guò)200,000個(gè)結(jié)構(gòu)突變。利普曼將其比作是通過(guò)全景窗口查看基因組大部分的圖像。相比之下，更常規(guī)的測(cè)序只能提供一個(gè)窺孔。

他們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)突變都不會(huì)改變編碼性狀的基因。但是，李普曼說(shuō)，很明顯，許多這些突變改變了控制基因活性的機(jī)制。例如，一個(gè)這樣的基因控制番茄果實(shí)的大小。在這種情況下，通過(guò)修飾DNA結(jié)構(gòu)-基因的拷貝數(shù)-Lippman的團(tuán)隊(duì)能夠改變水果的產(chǎn)量。缺少該基因的植物從未結(jié)出果實(shí)，而具有該基因的三個(gè)拷貝的植物結(jié)出的果實(shí)比只有一個(gè)拷貝的植物大了約30%。

Lippman的團(tuán)隊(duì)還證明了DNA結(jié)構(gòu)如何影響性狀的例子，他稱之為“非常復(fù)雜”。他們表明，將一個(gè)重要的收獲性狀育成現(xiàn)代番茄需要一起進(jìn)行四個(gè)結(jié)構(gòu)突變。

利普曼說(shuō)，這些見(jiàn)解可以幫助解釋其他農(nóng)作物的性狀多樣性，并使育種者能夠改良品種。他說(shuō)，例如，也許在微小的櫻桃上增加一個(gè)大小基因的拷貝，櫻桃就是番茄的近親，可以使它們變大，從而增加它們的吸引力。

他說(shuō)：“農(nóng)業(yè)上的圣靈之一就是能夠說(shuō)，'如果我突變了這個(gè)基因，我就會(huì)知道產(chǎn)量是多少'。”“該領(lǐng)域正在朝著這種可預(yù)測(cè)的繁殖邁出重要的一步。”