发布时间：2024-03-15 16:05:35 栏目：精选知识
布鲁克海文国家实验室和俄克拉荷马州立大学的科学家们已经确定了控制高粱(一种重要的 生物能源 作物)开花的关键基因及其机制。刚刚发表在《新植物学家》杂志上的研究结果 提出了延迟高粱开花的策略，以最大限度地提高植物生长和可用于生产生物燃料和生物产品的生物量 。
“我们的研究阐明了控制高粱开花的基因调控网络，并为如何利用这些基因来改良高粱以实现生物能源目标提供了新的见解，”该研究的领导者之一、布鲁克海文实验室生物学家Meng Xie说。
高粱特别适合可持续农业，因为它可以在半干旱地区的贫瘠土地上生长，并且可以承受相对较高的温度。与许多植物一样，它的生长和开花(繁殖)周期受每日阳光持续时间的调节。一旦植物开始开花，它们就会停止生长，这对生物量的积累具有重要意义。
例如，一种天然高粱品种的高度可达近 20 英尺，只有在夏季生长季节结束时日照时间缩短时才会过渡到生殖开花阶段。其他“日中性”品系在达到约三英尺高后开花较早，产生的植被较少，但谷物较多。
“虽然在种植高粱作为食物来源时，这些开花较早的品种可能更可取，但对于生物能源生产，我们更喜欢开花较晚的高粱。这使得植物有更多的时间生长并在茎和叶中积累生物量，”谢说。
了解控制这些不同开花时间的基因——这是植物科学家长期追求的目标——可能会指出优化高粱以获得所需结果的方法。
考虑到生物能源生产的目标，布鲁克海文团队首先探索了一个先前被认为与晚开花相关的基因，称为 SbGhd7。该基因与后期开花之间的关联是基于全基因组研究的统计预测，但尚未得到实验数据的验证，而且其作用机制完全未知。
“我们的研究提供了直接证据来支持该基因在开花控制中的功能，并帮助我们了解其分子机制，”该研究的第一作者、布鲁克海文实验室博士后研究员 Dimiru Tadesse 说。
过度表达会消除开花
第一个证据来自俄克拉荷马州转基因高粱植物，该植物过度表达了所谓的开花控制基因。过度表达该基因(即产生大量蛋白质产物)的高粱品种不仅会延迟开花，而且还会延迟开花。它们根本就没有开花过。
谢指出：“这与水稻过度表达同一基因时发生的情况有很大不同。” “在水稻中，该基因的过度表达会延迟开花 8 到 20 天，而不是永远!”
转化的高粱植物的生物量是对照植物的两倍多。
为了找出原因，谢和他的团队想要解开该基因在细胞内如何运作的细节。他们的目标是了解开花抑制基因编码的蛋白质如何与其他基因相互作用。
在实际植物中进行这些研究需要数月或数年的时间。因此，谢和他在布鲁克海文的同事们研究的是单个植物细胞。
转化裸植物细胞
他们使用外细胞壁已被去除的植物细胞。“裸露”的植物细胞，即原生质体，可以很容易地吸收质粒，即添加到其生长培养基中的少量 DNA。通过将他们想要测试的一个或多个基因放入该质粒中，科学家们可以让植物细胞产生所需的蛋白质。
“质粒将进入细胞并孵育过夜，蛋白质将具有非常高水平的表达，”谢说。“这只是一天的程序。”
为了追踪开花抑制基因产生的蛋白质在细胞中的作用，科学家们在其上附加了另一种小蛋白质，作为一种标签。然后他们添加了旨在与标签结合的抗体。如果开花抑制蛋白与植物基因组 DNA 中的其他基因区域结合，科学家们就可以将整个抗体-蛋白质-DNA 复合物从溶液中取出，对这些基因区域进行测序。
“这种方法被称为‘瞬时染色质免疫沉淀测序’或‘瞬时 ChIP-seq’，它向我们展示了消除开花的蛋白质与高粱基因组 DNA 结合的位置，”谢说。“它确定了高粱基因组中这种调节蛋白的目标。”
主调节器
科学家们发现它们的开花抑制蛋白与许多靶标结合。其中包括参与开花的其他基因。
“之前在其他植物物种中发现了一些调节开花的基因，但它们在高粱中的功能，其中许多，仍未得到充分研究，”谢说。
当俄克拉荷马州立大学的合作者培育出过度表达这些目标基因的高粱植物时，他们发现目标基因诱导了早期开花。研究小组推断，阻遏蛋白必须通过关闭那些早期开花基因来发挥作用。
布鲁克海文大学的科学家利用精密测序技术确定了调节蛋白的特异性结合位点：每个单独靶基因的“开启”开关或启动子内的非常短的 DNA 序列。
“每个目标基因的启动子都不同，但它们都包含相同的短序列，”谢说。通过结合，阻遏蛋白将这些开关关闭。
阻遏蛋白可以影响多个靶标的想法有些新鲜。
“其他人推测最初的调节蛋白只调节一种开花激活剂。但我们发现事情要复杂得多。除了调节一种可疑的目标激活剂外，这种蛋白质还调节其他几种——一些是直接的，一些是间接的，”谢说。“它就像一个关闭开花的主调节器。”
这些发现在制造不开花高粱方面的实际应用可能会给工程高粱带来额外的好处。除了增加生物燃料生产的生物量外，这些没有花和花粉的植物将无法与其他密切相关的植物分享其改变的基因。这种内置的基因遏制可能有助于潜在的种植者满足在现实农业环境中实施此类策略的监管要求。
这项工作由美国科学办公室通过布鲁克海文实验室的 定量植物科学计划资助 ，并由美国农业部通过俄克拉荷马州立大学的合作者资助。用于优化原生质体转化、样品制备和测序的瞬态 ChIP-seq 方法是在 Brookhaven 实验室的实验室指导研究和开发资助下开发的。
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