植物在与育种相关的性状方面表现出巨大的多样性

植物在与育种相关的性状方面表现出巨大的多样性，例如株高、产量和对害虫的抗性。现代植物研究中最大的挑战之一是确定导致这种变异的遗传信息差异。由杜塞尔多夫海因里希海涅大学 (HHU) 分子生理学研究所和斯坦福卡内基科学研究所“作物产量”工作组领导的研究小组现已开发出一种方法，可以精确识别遗传信息中的这些特殊差异。他们以玉米为例，在基因组生物学杂志上展示了他们方法的巨大潜力，并展示了玉米基因组中可能有助于提高产量和在育种过程中抵抗害虫的区域。

所有生物的蓝图都编码在它们的 DNA 中。这包括编码蛋白质并决定生物体固有特征的基因。此外，还有其他重要的 DNA 部分，特别是控制基因调节的区域，即基因何时、在何种条件下以及在何种程度上被激活。

然而，与基因相比，这些调控区域——也称为“顺式元件”——很难找到。然而，正是这些 DNA 元素的变化在很大程度上导致了生物体之间的差异，因此也导致了不同植物品种之间的差异。

在过去的几十年里，研究人员发现调控区域是特定蛋白质的结合位点。被称为转录因子，正是这些决定了基因何时被激活以及激活多长时间。

HHU 分子生理学研究所和科隆马克斯普朗克植物育种研究所 (MPIPZ) 作物产量研究组的负责人，共同通讯作者 Thomas Hartwig 博士：“找到一些对改变害虫等性状至关重要的变异数以百万计的非致病基因组差异之间的抵抗最终是大海捞针。”

“与蛋白质编码基因不同，调控位点通常不能仅根据序列来识别。这使得他们很难查明。我们的方法使用杂交植物来测量 DNA 序列变异对转录因子结合的直接影响，”主要作者、卡内基科学研究所的 Zhi-Yong Wang 教授说。

该研究是与位于 Gatersleben 的莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所 (IPK) 以及内布拉斯加大学林肯分校和爱荷华州立大学的研究人员合作开发的。

使用杂交种，即通过两个品种杂交产生的第一代植物，研究团队可以比较整个基因组中哪些调控区域不同。共同作者 Julia Engelhorn 博士：“我们的分析方法使我们能够精确测量转录因子是否更多地与母本或父本基因组结合。” 该程序还使该团队能够识别出与性状相关的数千种差异，例如玉米的产量和抗虫性。

该技术被证明用于油菜素类固醇途径中的转录因子，油菜素类固醇途径是一种与生长和疾病相关的激素。研究所所长 Wolf B. Frommer 博士教授：“该团队已经确定了数千种基因组变异，这些变异可以解释为什么一种玉米在产量或抗病性方面表现不同。此外，该团队能够证明这些差异几乎同样是遗传和表观遗传的。” 后者描述了影响基因活性的过程，而不是在 DNA 序列本身中编码。

该研究的一个核心结果是列出了 6,000 多个可作为植物育种目标的基因组区域。这些可能包括在某些玉米品种中表达其他植物所缺乏的积极性状的区域。

Hartwig：“了解现代育种方法在基因组中的哪些位置可用于将某些品种的特征转移到其他品种，这对生物技术非常重要。我们的研究可以作为如何找到这些有趣的基因组区域的指南。” Frommer 教授补充说：“研究结果为使用现代技术通过巧妙地组合最佳变种来培育玉米新品种奠定了基础。”

该研究通过 HHU 的 CEPLAS 卓越集群、德国研究基金会 (DFG)、卡内基科学研究所、亚历山大·冯·洪堡教授 Wolf B. Frommer、国立卫生研究院和经济部获得资助, 萨克森-安哈尔特州的旅游、农业和林业。

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