揭开58年前的玉米基因之谜可能会对植物育种产生影响

研究人员在发现一种“开启”另一种基因的基因，这种基因负责玉米中常见的红色素，研究人员解决了近六十年前的一个谜团，其中一项发现可能对未来的植物育种产生影响。作为超过20年工作的高潮，1997年，宾夕法尼亚州立大学玉米遗传学教授Surinder Chopra从突变的玉米系中获得了种子。当时，乔普拉是爱荷华州立大学的博士后学者，他在2000年加入宾夕法尼亚州立大学时带来了他的研究。

这个谜团涉及一种自发的基因突变，导致红色色素在各种玉米植物组织中出现，如籽粒，玉米穗轴，穗，丝，甚至茎，持续几代，然后在随后的后代中消失。对于不熟悉的人来说，这似乎是一个小问题，但由于玉米遗传学早已被研究作为一个模型系统，这个问题对植物生物学具有重要意义。

“在玉米中，参与色素生物合成的基因已被用于遗传研究超过一个世纪 - 玉米中的色素沉着是一个相对简单的特性，这使其成为用作遗传研究标记的理想选择，”Chopra说。“查尔斯伯纳姆博士(明尼苏达大学)于1960年鉴定了突变玉米植物，并将这粒种子送给他的一名学生Derek Styles。我们在1997年收到了Styles的种子，我们受委托继续研究。”

Chopra致力于将来自突变体玉米的基因渗入基因，该基因被称为橙子1的Ufo1-Unstable因子，进入各种近交玉米品系。自从他来到宾夕法尼亚州立大学以来，乔普拉农业科学学院的研究小组已经在宾夕法尼亚州立农学农场和校园温室中种植和回交玉米植株系。在过去三年中，研究人员最近在植物细胞中发表了他们的研究结果，他们已经培育了超过4,000种回交植物来绘制Ufo1在基因组中所处位置的位置。

利用这些杂交植物的组织，采用RNA测序技术和基因克隆工具，以及植物遗传学家直到最近才能获得的新一代测序，遗传作图和数据分析能力，研究人员揭露了其中的罪魁祸首。再次，一次又一次，红色色素玉米之谜。他们发现了Ufo1，它只存在于玉米，高粱，大米和谷子中。

但是Ufo1 突变基因实际上并不会导致红色色素出现在玉米中 - 这是由一种叫做果皮色素1或p1的基因引起的。研究人员发现，Ufo1基因实际上是由一个位于Ufo1基因附近的转座子 - “跳跃基因”控制的。转座子是从基因组中的一个位置移动到另一个位置的DNA序列，并且可以影响附近必需基因的表达。

当打开该转座子时，Ufo1基因也被打开，这触发p1基因向植物发出信号以产生红色色素。但是当转座子关闭时，Ufo1基因变得沉默，p1控制的色素途径也是如此。据Chopra说，这是Ufo1基因长期不明的主要原因，而且这个谜团仍然存在。“我们能够将其缩小为数千个基因中的单个基因，这些基因在Ufo1突变体与野生型植物中异常表达，”他说。“这是一项渐进的发现，但它是基础科学的一次飞跃，因为它可能对种植育种者很有价值。”

目前尚不完全清楚Ufo1如何与p1基因相互作用。与玉米植物中Ufo1突变基因控制的相比，该发现的未来意义可能与红色色素的关联性较小。乔普拉认为它可能是一个“主要调节器”，当过度表达时，即使在没有压力的情况下也会向植物发出信号。有趣的是，Chopra指出，在Ufo1植物中，糖类在叶片中过度积累，并且由玉米植物制成的天然杀虫剂maysin的含量在丝绸中急剧增加。

“了解控制正常或非突变Ufo1基因调控的内容将使我们更接近真实的育种过程，在此过程中我们可以修补基因表达以获得更高的maysin含量或增加糖含量，这在作物中很重要分别是对害虫和生物燃料生产的保护，“乔普拉说。“而且，由于它对细胞机器的运作有显着影响，我们现在可以进一步了解通常在对植物施加压力时发生的基本分子途径，”他说。“由于气候变化，了解由极端高温，寒冷和水引起的植物压力非常重要。”

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