分类
加州大学伯克利分校新闻

基因体操帮助高粱在干旱中存活

A photo of a field of sorghum crops on a bright sunny day

加州大学伯克利分校的研究人员进行的一项新研究揭示了高粱作物如何改变基因表达以适应干旱条件。了解高粱是如何在恶劣条件下生存的,可以帮助研究人员设计出更能适应气候变化的作物。(加州大学伯克利分校,Peggy Lemaux)

灼热的温度和焦渴的土地对高粱来说不是对手——这种原产于非洲和澳大利亚的谷类作物将保持绿色和多产,即使在使其他植物变成棕色、脆弱和贫瘠的条件下也是如此。

一项新的研究发表在本周的《美国国家科学院院刊》上提供了第一个详细看看工厂锻炼讲究控制其基因组——交换一些基因和基因在缺水的迹象时,又当水返回,生存环境恶劣,干旱。

“高粱真的是耐旱,如果我们学习如何能够耐旱,那么也许我们可以帮助其他植物以同样的方式生存,”佩吉Lemaux说,加州大学合作推广专家,伯克利,植物和微生物生物学和论文的合著者。

这个庞大的数据集收集了400个高粱植株的样本,这些植株在加州中央谷的开阔地带生长了17周。数据显示,为了应对干旱胁迫,高粱调节了10727个基因的表达,占其基因组的40%以上。许多变化发生在一周内的植物缺少每周浇水或第一次浇水后的几周不浇水。

这些数据是作为高粱干旱反应表观遗传控制项目(EPICON)的一部分而收集的。EPICON的研究是由加州大学伯克利分校的研究人员和加州大学农业与自然资源(UC ANR)、能源部的联合基因组研究所(JGI)和该机构的太平洋西北国家实验室(PNNL)合作进行的。

Researchers stand under a temporary tent on a bright sunny day.

研究小组在野外建立了移动实验室,快速冷冻收获的高粱植株,用于后期的基因测序。(加州大学伯克利分校,Peggy Lemaux)

为了进行这项研究,研究小组在加利福尼亚帕利厄的加州大学科尔尼农业研究与推广中心(KARE)连续三年在三种不同的浇水条件下——开花前干旱、开花后干旱和水的控制应用——培育高粱植株。

在生长季节的每一周,研究小组的成员都仔细地从选定的植物的叶子和根上采集样本,并在田间建立一个移动实验室,在那里他们可以快速冷冻样本,直到它们被处理进行分析。然后,JGI的研究人员对每个样本的RNA进行测序,以创建转录组数据,从而揭示植物数万个基因中的哪些被转录,并在特定时间用于制造蛋白质。

最后,由加州大学伯克利分校统计学教授和研究报告的资深作者Elizabeth Purdom领导的统计学家分析了大量的转录组数据集,以查明基因表达是如何随着植物的生长而变化,以及在干旱或缓解干旱条件下的变化。

勒莫说:“我们非常仔细地控制浇水条件,我们对高粱的整个发育时期进行取样,所以研究人员不仅可以利用这些数据研究干旱胁迫,还可以研究植物的发育。”

A gloved hand removes a frozen tube from an insulated cooler.

JGI的研究人员对冷冻样本进行了处理和测序。(加州大学伯克利分校,Peggy Lemaux)

研究人员在转录组数据中发现了一些有趣的模式。首先,他们发现在干旱条件下,一组已知的帮助植物与一种真菌形成共生关系的基因被切断了。这组基因在他们观察到的基因活动中表现出最显著的变化。

“这很有趣,因为它暗示了植物在干燥时关闭了这些(与真菌的)联系,”JGI的研究员、该论文的合著者约翰·沃格尔(John Vogel)说。“这与研究结果吻合得很好,这些真菌在根部周围的数量同时也在减少。”

其次,他们注意到某些与光合作用有关的基因在干旱时也会关闭,而在干旱恢复期间又会出现。沃格尔说,虽然研究小组还不知道为什么这些变化可能对植物有益,但它们为后续研究提供了有趣的线索。

本论文的数据显示了该植物在一个生长季的正常条件和干旱条件下的转录组。在未来,研究小组还计划公布另外两年的实验数据,以及蛋白质组和代谢组数据。

“人们真的避免在野外做这类实验,而是在实验室或温室的受控条件下进行。但是我相信,我们投入的时间和资源将会得到回报,我们得到的答案的质量,以及对真实世界干旱情况的了解。”

加州大学伯克利分校的Nelle Varoquaux和Cheng Gao以及JGI的Benjamin Cole是这项研究的共同第一作者。其他合著者包括Grady Pierroz, Christopher R. Baker, Dhruv Patel, Mary Madera, Tim Jeffers, Judith A. Owiti, Stephanie A. DeGraaf, Ling Xu, Krishna K. Niyogi, Devin Coleman-Derr和加州大学伯克利分校的John W. Taylor;加州大学ANR KARE的Joy Hollingsworth、Julie Sievert和Jeffery Dahlberg;Yoshinaga, Vasanth R. Singan, Matthew J. Blow, Axel Visel和JGI的Ronan O ‘Malley;博伊斯·汤普森研究所的玛丽亚·j·哈里森;PNNL的Christer Jansson和UC ANR的Robert Hutmacher。

这项研究部分由能源部(DOE)拨款DE-SC001408;戈登和贝蒂·摩尔基金会赠款GBMF3834;Alfred P. Sloan Foundation grant
2013-10-27;L ‘Ecole Normale superieu – capital基金管理数据科学主席和美国能源部生物与环境研究资助办公室DE-SC0012460。美国能源部联合基因组研究所开展的工作得到了美国能源部科学办公室合同DE-AC02-05CH11231的支持。

相关信息

  • 他将领导一项1230万美元的作物耐旱研究
  • 干旱处理重组了植物的微生物群落

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.berkeley.edu/2019/12/02/genomic-gymnastics-help-sorghum-plant-survive-drought/