谷类作物进化的“交易”基因模块

比较单个细胞在玉米、高粱和小米进化差异揭示了这些重要的谷类作物,根据一项新的研究由纽约大学的研究人员。

这一发现,发表在自然,使研究人员更接近确定哪些基因控制等重要农业性状抗旱,这将帮助科学家们面对气候变化作物适应干旱环境。

玉米、高粱和小米为世界各地的人类和动物提供食物。玉米和高粱是古老的亲戚,大约1200万年前进化成两个不同的物种,和小米更远亲。

尽管他们共同的祖先,庄稼有关键的特性的不同实例,高粱是更宽容比玉米、干旱,植物释放独特的粘性物质从根部形状如何与周围的土壤。这些差异可以追溯到玉米进行全基因组复制分裂后从高粱。

“这些作物的重要性,他们的进化距离,和它们的功能差异存在一个令人兴奋的机会对于比较基因表达模式在细胞层面,”说

Bruno Guillotin在纽约大学生物学系和博士后研究报告的第一作者。“虽然这三种作物是相似的,如何他们不同于对方是很重要的,因为他们有特点,我们可能想要转移从一个到另一个,如干旱宽容。”

研究者进行了单细胞mRNA分析的根玉米,高粱,和小米,剖析根源看单独的细胞,观察精确基因表达在特定的细胞。然后比较了相同的特殊细胞在三种作物。

“根的第一道防御干旱和炎热。你能想到的根机与许多工作在这种情况下,细胞类型,知道这台机器是如何工作的收集水和应对干旱和热量是非常重要的,”说肯尼斯·伯恩鲍姆在纽约大学生物学系教授和基因组学和系统生物学中心和该研究的资深作者。比较不同物种帮助我们梳理哪些基因导致关键农业特征。”

在研究不同物种进化和分化细胞如何,研究人员确定了几个趋势,指出“修修补补”——或者现有的迁移细胞的重排。首先,他们观察到细胞通常贸易基因表达模块,或10或50组基因与协调功能,细胞类型之间进化。

“这个基因模块交换已被证明在动物系统,但我们生成的数据是第一次这是说明在大水平植物,”伯恩鲍姆说。

这种交换的模块中演示了一个发现是根slime-the充满营养根的粘性物质排放到土壤里去的。黏液是用于润滑土壤根可以通过吸引有益细菌,保护植物或提供明显的营养。

研究者发现的基因帮助产生根黏液是位于不同地区的玉米、高粱、小米根。在高粱、黏液基因被发现在根外组织,在玉米这些也被替换成新的细胞类型根帽,一个渐进的变化,可能使玉米吸引细菌,帮助植物获得氮。他们还发现了其他基因监管机构分别在不同的细胞类型取决于作物,为研究人员提供主要测试对象传达特定的基因特征。

此外,研究人员发现,在玉米整个基因组重复其分裂从高粱1200万年前影响特定类型的细胞,使玉米细胞迅速专门化。他们还注意到,某些类型的细胞作为捐赠者的新基因,而其他人似乎收集新基因重复,这可能表明,基因重复加速特定细胞的进化。

最近单细胞测序技术的进步使这项研究成为可能和开辟新的方法来探索作物基因和细胞特征之间的联系。

“十年前,我们只能够分析十几个或几十个细胞与早期单细胞测序技术。现在我们可以概要成千上万的细胞在一个漂亮的常规实验,”伯恩鲍姆说。

未来的研究将比较这三种作物的单个细胞如何应对压力,如干旱。

“这是这种反应可能的关键发现的耐旱基因是非常重要的,”伯恩鲍姆说。

参考:Guillotin B, Rahni R,尹浩然,Passalacqua。pan-grass转录组揭示了细胞分化的模式作物。自然。2023年。doi:10.1038 / s41586 - 023 - 06053 - 0

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