作物通过在细胞之间交换遗传模块进化而来
根据纽约大学研究人员领导的一项新研究，比较玉米、高粱和小米的单个细胞揭示了这些重要谷类作物之间的进化差异。
这项发表在《自然》杂志上的研究结果使研究人员更接近于确定哪些基因控制着重要的农业特性，例如耐旱性，这将帮助科学家在面临气候变化时使作物适应更干燥的环境。
玉米、高粱和小米为世界各地的人类和动物提供食物。玉米和高粱是远亲，大约在 1200 万年前演变成两个不同的物种，而小米的亲缘关系更远。
尽管它们具有共同的祖先，但这些作物在关键性状上存在显着差异——例如，高粱比玉米更耐旱，而且这些植物从根部释放出独特的粘性物质，以决定它们与周围土壤的相互作用。这些差异可以追溯到玉米从高粱中分裂出来后经历了全基因组复制。
“这些作物的重要性、它们在进化上的相似性以及它们的功能差异为在细胞水平上比较基因表达模式提供了一个令人兴奋的机会，”说
Bruno Guillotin 是纽约大学生物系的博士后研究员，也是该研究的第一作者。“虽然这三种作物很相似，但它们之间的区别很重要，因为它们具有我们可能希望从一种作物转移到另一种作物的特性，例如耐旱性。”
研究人员对玉米、高粱和小米的根进行了单细胞 mRNA 分析，解剖根以单独观察细胞并精确观察基因在特定细胞中的表达位置。然后他们比较了三种作物中相同的特化细胞。
“根系是抵御干旱和高温的第一道防线。你可以把根想象成一台有许多工作部件的机器——在这种情况下，细胞类型——所以了解机器如何收集水和应对干旱和高温是非常重要的，”纽约大学教授 Kenneth Birnbaum说。生物学系和基因组学与系统生物学中心以及该研究的资深作者。“比较不同的物种有助于我们梳理出哪些基因会导致关键的农业特性。”
在研究细胞如何在不同物种中进化和分化时，研究人员发现了几种趋势，这些趋势表明细胞随时间“修补”或重新排列现有元素。首先，他们观察到细胞在进化过程中经常在细胞类型之间交换基因表达模块，或具有协调功能的 10 或 50 个基因组。
“这种基因模块交换已在动物系统中得到证实，但我们生成的数据是第一次在植物中进行大规模说明，”Birnbaum 补充道。
这种模块交换在一项关于根粘液的发现中得到了证明——根粘液是一种充满养分的粘稠物质，根系会释放到土壤中。粘液可用于润滑土壤，使根部可以穿过并吸引有益细菌保护植物或提供难以获得的营养。
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