Genome Biology：新方法为植物育种提供重要信息

对现代植物研究而言，最大的挑战之一是确定哪些遗传信息的差异会造成性状变化。近日，德国杜塞尔多夫大学和美国卡耐基科学研究所等机构的研究人员开发出一种方法来精确识别遗传信息中的这些特殊差异。

　　

在与育种有关的性状方面，植物表现出巨大的差异，如株高、产量和抗虫害能力。对现代植物研究而言，最大的挑战之一是确定哪些遗传信息的差异会造成这种变化。

近日，德国杜塞尔多夫大学和美国卡耐基科学研究所等机构的研究人员开发出一种方法来精确识别遗传信息中的这些特殊差异。以玉米为例，他们在《Genome Biology》杂志上展示了这种方法的巨大潜力，并指出了玉米基因组中可能有助于提高产量和抗虫害能力的区域。

所有生物体的蓝图都编码在它们的DNA中，其中包括基因，它们编码蛋白质，并决定生物体的固有特征。此外，DNA还包括其他重要部分，特别是负责基因调控的区域，即控制基因何时、在何种条件下以及在何种程度上被激活。

与基因相比，这些调控区域——也被称为“顺式元件”——很难找到。然而，正是这些DNA元件的变化在很大程度上造成了生物体之间的差异，因此也造成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。这些被称为转录因子的蛋白质决定了基因何时被激活以及激活多长时间。

共同通讯作者、杜塞尔多夫大学分子生理学研究所的Thomas Hartwig博士认为，在数百万个非因果关系的基因组差异中寻找对改变性状很关键的少数变异，如抗虫害，无异于大海捞针。

“与蛋白质编码基因不同，调控位点往往不能仅根据序列来识别。这使得它们很难精确定位。我们的方法使用杂交植物来测定DNA序列的变化对转录因子结合的直接影响，”卡耐基科学研究所的Zhi-Yong Wang教授说。

利用杂交品种，研究团队可以比较整个基因组内的哪些调控区域不同。他们采用杂交等位基因特异性染色质结合测序（HASCh-seq）方法，鉴定玉米内响应油菜素内酯信号的转录因子ZmBZR1的结合位点差异。油菜素内酯是一种与生长和疾病相关的激素。

研究人员鉴定出ZmBZR1的数千个目标基因，在近20%的目标基因中观察到等位基因特异性的ZmBZR1结合，这解释了一个品种的玉米为什么在产量或抗病性方面有不同表现。此外，他们还发现，这些差异是遗传和表观遗传共同作用的结果。

Hartwig博士称：“了解在基因组的哪些区域可以应用现代育种方法，并将某些品种的特征转移到其他品种上，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。”

研究人员认为，将经典的GWAS方法与HASCh-seq方法结合起来，可以成为一种强大的方法来确定基因组编辑的候选目标，从而改良作物的性状。

原文检索

Hartwig, T., Banf, M., Prietsch, G.P. et al. Hybrid allele-specific ChIP-seq analysis identifies variation in brassinosteroid-responsive transcription factor binding linked to traits in maize. Genome Biol 24, 108 (2023). https://doi.org/10.1186/s13059-023-02909-w