红薯起源进化之谜初解,但被转入的基因在红薯中功能仍不详

澎湃新闻记者 吴跃伟

2017-08-22 20:59 来源:澎湃新闻

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8月21日,上海辰山植物园、中国科学院上海植物生理生态研究所、泰安市农业科学院和德国马普研究所的科学家在《自然·植物》(Nature Plants)联合发表论文,首次确定了红薯“祖先”被转基因的时间,发现红薯的祖先种大约在一百万年前,就被天然地转基因了。而其被转入的基因一直留存至今。
中国人食用了四百多年的红薯,其基因组就含有这些被转入的基因。
但这些基因在红薯中有什么功能,对红薯造成了什么影响,目前仍然是未解之谜。
该论文的第一作者、上海辰山植物园杨俊博士告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),在掌握红薯全基因组测序结果的基础上,接下来,研究人员将尝试“删除”红薯中的被转入的基因,并综合其他实验手段,以解开其功能谜题。
杨俊表示,在全球范围内,人类食用红薯的历史已经近一万年之久。这一事实表明,虽然红薯是转基因农作物,但其安全性没有问题。
被天然转入的基因表达量很低,影响未知
在植物分类学上,红薯是旋花科番茄属植物。两年前,比利时根特大学的科学家在国际学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS)上发表论文称,在红薯(甘薯)的基因组中,发现了农杆菌的T-DNA。这震惊了很多人。因为农杆菌正是目前植物转基因的最常用工具之一。人们在T-DNA的中间放上自己想转入植物的基因,让T-DNA帮忙带进去。
红薯中存在T-DNA,这意味着,红薯是一种天然的转基因食品或者农作物。
论文甫一发表,媒体纷纷报道。罪魁祸首当然是土壤中的农杆菌,但这些T-DNA是什么时候转进去的呢?另外,红薯是如何起源的呢?它的基因组又经历了怎样的演化过程?科学共同体不禁发问。
中国科学家建立的世界首个甘薯基因组数据库,开放使用,发布了全球首个栽培红薯全基因组测序结果。
8月21日,上海辰山植物园、中国科学院上海植物生理生态研究所、泰安市农业科学院和德国马普研究所的科学家联合发表在《自然·植物》(Nature Plants)发表论文,揭开了谜底。
杨俊是该论文第一作者,中国科学院上海植物生理生态研究所的研究员张鹏是该论文的通讯作者之一。
根据全球首个栽培红薯的全基因组测序结果,研究人员分析发现,红薯的染色体或基因组来自其二倍体祖先种和四倍体祖先种。大约50万年前,两个祖先种发生种间杂交,孕育出了现代栽培红薯。
研究人员还发现,T-DNA大约在一百万年前,就出现在红薯祖先种的基因组中。那时,人类尚未走出非洲,分布到世界各地。所以,“罪魁祸首”肯定不是人类。
但隐居在土壤中的农杆菌,为什么要给红薯转基因,而且,这些基因对红薯产生了什么影响?目前还是未解之谜。
杨俊告诉澎湃新闻,一般而言,农杆菌侵染植物是为了从植物中获得营养。但农杆菌给红薯留下的基因产生了什么影响,目前尚不得而知。
此前,人们发现,二倍体红薯的根部很纤细,而六倍体红薯的根部因储藏淀粉而明显膨大。人们认为这一过程可能跟T-DNA的转入有关。
从基因序列看,T-DNA给红薯带来的基因是细胞分裂素基因。但在红薯中,该细胞分裂素基因的表达量很低。
此外,测序数据显示,并非红薯的六套基因组都含有T-DNA。
中国产出了全球80%以上的红薯
杨俊表示,受测序技术的制约,目前基因组测序都是将DNA破碎成小的片段,对每个片段测序,然后拼接成整个基因组序列。但栽培红薯是六倍体,也就是说,红薯有六套相似的基因组,每套有15条染色体,一共90条染色体。六份相似的基因组或染色体,那么测序后,DNA片段如何被“还原”(Mapping)到其原来所在的染色体上,拼接出破碎前的完整基因组?
多倍体基因组增加了测序后拼接的难度,一直是研究的难点和痛点之一。比如普通小麦,它也是六倍体,但它来自3个二倍体祖先种,经过两次种间杂交形成。拼接问题更加复杂,截至目前,人们尚未完成对普通小麦的全基因组测序工作。
但在对红薯的研究中,杨俊等人自主开发了一套全新的多倍体单倍化分析软件,成功地绘制了红薯基因组的精细图。杨俊表示,这一分析方法也适用于小麦等多倍体复杂基因组的分析。
该论文中测序的是新育成品种“泰中6号”,由中国科学院上海植物生理生态研究所联合泰安市农业科学院共同培育。
通讯作者张鹏告诉澎湃新闻,南美洲是一个令人惊讶的农作物品种演化中心。红薯、木薯、马铃薯、花生、番茄都起源于南美。南美洲的气候多样性造就了生物物种的复杂性,可能促进了很多植物的演化历程,让它们形成储藏根,或者形成果实,出现了很多人类感兴趣的性状。
“泰中6号”是全球首个被测序的红薯品种,由张鹏参与选育。由于红薯是六倍体,基因组有相似的六套,测序非常困难。
张鹏表示,红薯在中国是除了水稻、小麦、玉米之外的第四大粮食作物,但红薯育种几乎是在“做公益”,因为红薯是无性繁殖,它没有雌雄株之分,一段藤蔓就可以长出整个植株。
中国以世界总种植面积50%的土地生产了全球80%以上的红薯,产量近亿吨。通过对红薯,乃至整个旋花科植物基因组的研究,张鹏和杨俊希望选育出更多的农作物品种。
责任编辑:崔烜澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 天然转基因 红薯 基因测序

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