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迈向表观遗传修饰的棉花的第一步

2019-06-19 14:42:56 • 来源：

由于价格下跌和天气模式无法预测，这对美国棉农而言是艰难时期，但德克萨斯大学奥斯汀分校的Z. Jeffrey Chen领导的新研究可能会为该行业带来突破。他和一个团队迈出了第一步，通过一种称为表观遗传修饰的过程，以一种新的方式培育更有活力，更高产的棉花。

迈向表观遗传修饰的棉花的第一步

近几十年来，科学家们发现生物中的许多特性不仅受其遗传学控制 - 它们的DNA代码中所写的内容 - 而且还受DNA外部的过程控制，这些过程决定了基因的表达，时间和程度，称为表观遗传学。这开辟了培育植物和动物的全新方式的可能性。通过选择性地打开和关闭基因表达，育种者可以在不改变基因的情况下创造新品种。

在这项最新研究中，研究人员发现了500多种在野生棉花品种和驯化棉花之间进行表观遗传修饰的基因，其中一些已知与农艺和驯化特性有关。这些信息可以帮助选择育种者想要改变的特性，如纤维产量或抗旱，抗热或害虫。例如，野生棉花品种可能含有帮助它们更好地应对干旱的基因，但在驯化棉花中已表观遗传。

“这种理解将使我们能够通过表观遗传育种来补充遗传育种，”分子生物科学系植物分子遗传学的DJ Sibley Centennial教授陈说。“由于我们现在知道表观遗传变化如何影响开花和应激反应，你可以重新激活驯化棉花中的应激反应基因。”

在今天发表在“基因组生物学”杂志上的一项研究中，陈和他在德克萨斯A&M大学和中国南京农业大学的同事报告说，他们制作了一个“甲基化组” - 一系列基因和遗传元素，这些基因和遗传元素通过天然物质开启或关闭过程称为DNA甲基化。甲基化组为希望通过表观遗传修饰来适应作物的生物技术公司提供重要线索。该甲基化组覆盖了最广泛种植的棉花，称为陆地棉或美国棉;它的堂兄，皮马或埃及棉;和他们的野生亲属，同时展示这些植物如何变化超过一百万年。

“了解甲基化在进化和驯化过程中如何变化将有助于使这项技术更接近实际，”陈说。

棉花是世界上种植的顶级纤维作物，有超过150个国家参与棉花出口和进口。美国经济受棉花刺激的年度营业收入超过1000亿美元，成为美国第一大增值产品。

研究人员发现DNA甲基化的变化发生在野生品种组合形成杂交种，杂交种适应环境变化，最后，人类驯化它们。一个关键的发现是，允许棉花从适应仅在热带地区生长的植物转变为在世界许多地方生长的植物的变化不是遗传变化，而是表观遗传变异。

研究人员发现，野生棉花含有一种甲基化基因，可以防止它在白天长时间开花 - 因为它们在夏天很多地方，包括美国和中国。在驯化的棉花中，同一基因失去了这种甲基化，使基因得以表达，这种表观遗传变化使棉花走向全球。

陈说，现代育种者可以用化学物质或通过修饰的基因编辑技术(如CRISPR / Cas9)修饰基因甲基化。这些方法可以让育种者对植物的表观基因组进行有针对性的改变，并创造出具有改良性状的新品种。表观遗传育种不仅可以应用于棉花，还可以应用于许多其他主要作物，如小麦，油菜，咖啡，马铃薯，香蕉和玉米。

这项新研究建立在迄今为止最完整的美国(或Upland)棉花基因序列图谱的基础上，该图谱也是陈和他的合作者在2015年开发的。

早期的研究追溯了驯化棉花的起源150万年，当时两种不同的野生物种形成了一种混合物，最终产生了现代的陆地棉和皮马棉种。Chen和他的团队发现，今天制造的类似杂种中的DNA甲基化变化与野生和栽培棉花中的DNA甲基化变化相同，这表明这些变化通过进化，选择和驯化持续存在。对于想要确保他们今天所做的改变不会在后代迅速消失的育种者而言，这是个好消息。

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