水稻基因组的‘、’和‘是水稻的主要性状

驯化稻籽粒更肥,淀粉含量比野生稻高,这是几代人优先选种播种的结果。但是,尽管水稻是第一个被完全测序的作物,科学家们只记录了使水稻成为世界上一半以上人口主食的基因变化中的一小部分。

现在新的研究发现,大量与驯化相关的水稻变化反映了对性状的选择,这些性状是由基因组中不转录蛋白质的部分决定的。

Kenneth M. Olsen奥尔森

郑晓明,中国农业科学院作物研究所的生物学家,是12月18日《科学进展》杂志上的一篇论文的第一作者。来自中国农业科学院作物研究所的杨庆文和刘军,以及艺术与生物学教授Kenneth M. Olsen圣路易斯华盛顿大学的科学家们也在为这篇论文联系作者。

非编码rna被认为在调控生长发育中起着非常重要的作用,但是y’re的研究才刚刚开始。

奥尔森说:“尽管对作物驯化进行了近20年的基因组学和基因组学研究,但我们对大多数作物品种的大多数驯化性状的遗传基础仍然知之甚少。”

奥尔森说:“早期的研究倾向于寻找‘容易摘到的果实’——简单的性状,由一两个容易识别的突变基因控制。”“更困难的是找出在作物驯化过程中对许多变化至关重要的更微妙的发育变化。

“这项研究为这一方向迈出了一步,它研究了一种调控机制,这种机制对调控水稻谷粒发育中与驯化相关的变化至关重要。”

多样性的特征

许多植物和动物的染色体中有很大一部分DNA是由基因组成的,而这些基因并不编码制造蛋白质的指令——对于任何特定物种来说,高达98%的基因组都是如此。但是这种基因信息还没有被很好地理解。一些科学家称这种物质为基因组的‘暗物质,甚至将其斥为‘垃圾DNA’——但它似乎在水稻的发展中发挥了巨大的作用。

在这项研究中,研究人员发现,9000多年前水稻驯化过程中发生的关键变化可能与长链非编码RNA (long-noncoding RNAs, lncRNAs)分子有关。长链非编码RNA是一类RNA分子,长度超过200个核苷酸。

研究人员发现,在水稻基因组中记录的遗传信息中,约有36%可以追溯到非编码区域,但在对农业重要的性状多样性中,有超过50%与这些区域有关。

奥尔森在华盛顿大学珍妮特·戈德法布植物生长设施里照料水稻。(图:Joe Angeles/Washington University)

中国农业科学院作物研究所生物学家、本研究第一作者郑晓明说:“这是第一次对栽培稻和野生稻非编码区域的lncrna进行了深入的注释和描述。”

她说:“我们的转基因实验和群体遗传分析令人信服地证明,lncrna的选择通过改变淀粉合成和谷物色素沉着功能基因的表达,导致了驯化稻米品质的改变。”

研究人员使用了数百个水稻样本和超过260 Gbs的序列,使用了敏感的检测技术来量化和稳健地跟踪水稻中的lncRNA转录。这项新的研究证实了一些之前识别出的lncrna,并为之前未描述的分子提供了新的信息。

这项新研究进一步证实了一些研究人员的推测,即植物或动物群体之间的适应性差异主要是由于基因调控的变化,而不是蛋白质的进化。

郑说:“基于我们的发现,我们认为lncrna上的选择可能是一个更广泛的机制,通过这个机制,许多物种的全基因组基因表达模式可以进化。”

这项水稻研究也为通过精确育种生产新作物和谷物打开了大门。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2019/12/grain-traits-traced-to-dark-matter-of-rice-genome/

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