基因寻求者发现控制多种有价值的大豆性状的非典型基因

研究表明野生大豆的遗传变异如何使栽培品种受益

印第安纳州西拉斐特 – 由普渡大学大豆遗传学家Jianxin 马领导的团队开发了一种新的生物技术工具，用于驯化野生大豆的理想性状，例如对叶蝉害虫的抵抗力。这种工具的使用，称为从头驯化，使科学家更容易从野生大豆中设计出作物改良。

“从野生祖先驯化一种特种作物过去需要数千年的时间。现在我们可能只需要几年时间，“农学教授、印第安纳州大豆联盟大豆改良主席马说。利用野生大豆的亲缘关系，科学家可以使用基因编辑方法来修改基因，创造出更适合农业生产的新品种

使这成为可能的是发现了两个具有不寻常特性的长链非编码RNA基因（lncRNA）。这些基因具有相同的遗传位点——它们并排位于同一条染色体上。但这些基因控制着多种性状。通常，一个基因控制一个性状。

马和来自普渡大学以及美国和中国其他机构的12位合著者在Nature Genetics上报告了他们的研究结果。该研究在任何驯化的植物或动物物种中确定了第一个长链非编码RNA基因，这些基因可以作为人类选择的目标。

加州大学戴维斯分校的合著者Blake Meyers 强调了这项工作如何整合与lncRNA相关的不同方法和发现。

“使用更传统的方法来绘制大豆的农艺性状，从而发现了单一的、共享的分子基础。性状多种多样，包括叶子和茎的大小，还有抗虫性，“ 加州大学戴维斯分校植物科学杰出教授迈耶斯说。

“事实证明，这些性状以一种不寻常的方式受到基因的调控，这些基因似乎不产生蛋白质，不像大多数基因，而是产生长的非编码RNA。Jianxin的实验室在表征导致这种独特遗传位点进化出现的调控机制和步骤方面做了出色的工作，“Meyers说。 

合著者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校大豆育种名誉教授兰德尔·尼尔森（Randall Nelson）称赞了研究项目之间的协同作用，这些项目产生了不太可能单独取得的成果。

“我的项目主要是基于田间的，我们从大豆和野生大豆之间的杂交中开发了一个独特的品系群体，以绘制与驯化相关的基因。建新实验室能够创造性地使用这些品系来鉴定大豆和野生大豆之间主要差异的新遗传控制，“Nelson说。

“这些结果不仅有助于我们对遗传控制替代模式的理解，而且还增加了我们对驯化的理解，”他说。“未来，这些结果将有助于利用野生大豆未开发的遗传多样性。

几个世纪前，古代农民驯化了广泛生产的现代大豆品种——称为 Glycine max，来自野生物种 Glycine soja。 新发现的lncRNA基因在野生大豆中高表达。

“高表达意味着它们可以制造更多具有特定结构的信使RNA拷贝，以产生更多小RNA拷贝，从而抑制这些驯化相关性状背后的几种蛋白质编码基因的表达。但这两个基因在栽培大豆中的表达很差，“马说。“它们在野生大豆中起作用，但它们现在不在栽培大豆中，因为突变是自然发生的。

野生大豆的种子、花朵和叶子都很小。在栽培大豆中，一切都变大了。栽培大豆的短柔毛形式也长出更长的茎和叶，其形式可以抵抗叶蝉等害虫。

在作物驯化中，农民选择植物以增加它们对人类需求的适应性。他们寻求味道和植物等性状，这些性状具有更大和更多的种子，从而导致更高的产量。然而，驯化过程减少了遗传多样性，而遗传多样性是现代育种的基础。

现代驯化大豆受到这种遗传多样性减少的影响，这给了解野生物种更广泛的遗传多样性带来了新的紧迫性。有了对负责各种性状的基因的了解，大豆遗传学家可以使用分子方法将它们整合到新的驯化品种中。

基因编辑技术提高了他们将基础研究转化为开发具有改善种子成分、营养性状、含油量、蛋白质和必需氨基酸等新大豆品种的能力。

“我们认为我们的团队是基因寻求者，寻找遗传变异，为印第安纳州和全国各地的农民培育更好的大豆，”马说。“我们的实验室和同事之前发现了其他驯化相关性状的几个基因。这些收集到的知识使野生大豆及其近缘种的从头驯化成为可能。

这项研究主要由美国农业部国家粮食和农业研究所资助。联合大豆委员会、中北部大豆研究计划、印第安纳州大豆联盟和 Ag Alumni Seed 提供了额外的支持。

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普渡大学是一所公共研究机构，在规模上表现出卓越的表现。普渡大学跻身美国前 10 名公立大学之列，其中两所大学进入美国前四名，普渡大学以首屈一指的质量和规模发现和传播知识。超过 105,000 名学生在普渡大学学习各种模式和地点，其中包括近 50,000 名在西拉斐特校区亲自学习的学生。普渡大学的主校区致力于可负担性和可及性，已连续 13 年冻结学费。了解普渡大学如何永不停歇地追求下一个巨大飞跃，包括其在印第安纳波利斯的第一个综合性城市校园、新的 Mitchell E. Daniels， Jr. 商学院和 Purdue Computes——在 https://www.purdue.edu/president/strategic-initiatives。

作家： 史蒂夫·科普斯

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