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新克隆技术将大幅缩短研究植物基因的时间

2019-01-11 00:37:03

新克隆技术将大幅缩短研究植物基因的时间

[AD340X300]生物通报道:一段植物或者动物的DNA可能包含成百上千的基因,每个基因编码不同的蛋白质,每个蛋白质对生物的生存或者生长都有重要意义。对于研究人员来说,如何分离单个基因并研究每个基因的功能是个真正的挑战——一个往往需要在实验室中花费整年时间不断尝试和失败的艰苦历程。

现在一个Stanford University和Britain’s John Innes Centre合作研究小组发明一种新技术,能够显着简化这个过程。新技术使得研究人员可以在几个月而不是整年的时间来识别特定的基因。在6个月的时间内,研究人员完成了原本需要几年时间才能完成的工作,并识别一个有趣的基因。他们深信这个技术推广到其他物种上将有助于加快研究人员研究的步伐。这个新的称为基于转录的克隆技术发表在3月30日的PNAS(Proceedings of the National Academy of

Sciences)上。

这个新技术最大的优势是应用于类似植物这样大而复杂的基因组上。文章作者之一的Sharon ng是细菌和植物分子生物学专家,也是Stanford大学School of Humanities and

Sciences的系主任,她和同事一起采用新克隆技术分离并鉴定了一个苜蓿科Medicago

truncatula(或称为barrel

medic)在固氮过程中非常重要的基因,蒺藜状苜蓿是豆类家族的一个成员,和紫花苜蓿、豌豆是近亲。

苜蓿的DNA包含成千上万的基因,用传统方法找出每个基因的功能将是一个极为费时的工作。传统的植物基因组学方法采用人工诱变然后在寻找突变基因。比如用辐射随机处理大量种子,在实验室培养这些种子,挑选表型有变化的突变株,研究突变株的DNA直到找到这个突变基因,再进一步研究其功能。如果研究人员想找到和根系生长有关的基因,他就要先找到根系有缺陷的突变植株再进行无比繁琐的大规模DNA分析,直到找到引起缺陷的突变基因。

所有的生物都离不开氮源,只有通过固氮菌的作用才能将空气中的氮转化为生物可以利用的氮源。多数豆类植物允许固氮菌侵入根部形成根瘤,并和固氮菌建立互惠互利的共生关系,从而获得充足的氮源。这也是在休耕时农民在田间种植苜蓿作为肥料的原因。研究人员的目的是要寻找使得特定植物能够和固氮菌形成共生的相关基因。采用传统方法在苜蓿中进行这样的研究可能需要3到5年的时间,部分原因是这个过程需要两代植物交叉受精培养。

为了缩短这个过程,研究人员通过逆向思维进行推理:在正常情况下,蛋白的合成受基因的指导,信息是从DNA通过转录传递到RNA,由RNA携带遗传信息转移到细胞质中并以之为模版合成蛋白质。突变基因的错误信息传递得到无义的RNA并很快被降解,在突变细胞中这种RNA的含量将非常低。但是反过来这个情况是否成立呢?就是说如果突变株的某个RNA的含量非常低是否可以代表是源自于一个缺陷基因呢?如果这样,研究人员就可以寻找表达量降低的RNA,识别其序列然后定位这个基因。

豆类植物如何和固氮菌交互信息依然是个迷。在某种未知的作用下根细胞可以在几分钟之内识别固氮菌的信号,细胞内钙离子浓度迅速升高然后慢慢降低,差不多每分钟形成一次钙离子峰,这样不断重复几个小时。为了更好的研究这个现象,研究人员找到一个突变型能够出现钙离子峰但却不能和固氮菌形成共生关系,将野生型的苜蓿和突变型进行比较。通过基因芯片技术,研究人员检测了两种表型的植株中10000个基因的RNA水平,研究人员发现突变株的DMI3基因的RNA水平非常低,在正常细胞中DMI3基因表达的蛋白和调控钙离子反应的烟草植物蛋白相似。这个结果使得研究人员相信 DMI3基因和植物对钙离子应激反应有关。上个月一个荷兰和法国的研究小组也在Science上发表了相似的结果——他们用了几乎4年的时间完成对DMI3的识别。而这个研究只用了6个月。这个研究在深入研究固氮过程的同时,为以后鉴别克隆重要的植物基因指出了一个快速有效的方法,而且可以应用于各种植物

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