纳米孔测序联合光学测绘揭示转基因植物细节
2019-01-22 09:04:21 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
DNA测序技术暗示，当农杆菌T-DNA被用于植物转基因时，它可能会对本地DNA的结构和化学性质造成额外的改变。
据麦姆斯咨询报道，索尔克的研究人员绘制了具有最高分辨率的转基因植物系基因组和表观基因组图，为了精确地揭示插入一段外源DNA后，在分子水平上会发生什么。他们的研究结果发表在2019年1月15日的PLOS Genetics，阐明了用于修饰植物的常规方法，并为更有效地减少潜在的非目标效应提供了新思路。
“这真是一个起点，表明利用最新的绘图和测序技术来研究插入基因后的植物基因组有何变化，”霍华德医学研究所研究员、索尔克植物分子和细胞生物学实验室教授、基因组分析主管Joseph Ecker说。
为了基础研究或促进粮食作物健康和营养，当科学家想把一个新基因插入植物中时，他们通常依靠农杆菌来完成这项任务。农杆菌是引起冠瘿瘤的细菌。早在几十年前，科学家们发现了一颗感染细菌的树，细菌将它的一些DNA转移到了树的基因组中。从那时起，研究人员就开始利用农杆菌的这种转移能力（转移DNA，T-DNA）将所需基因转移到植物中。
最近，DNA测序技术暗示，当农杆菌T-DNA被用于植物转基因时，它可能会对本地DNA的结构和化学性质造成额外的改变。
“生物技术公司花费了大量的时间和精力来描述转基因植物的特征，忽视哪些有不必要的改变的候选者——从生物学的基本观点来看——这些改变为啥会发生？”Ecker说。“我们的新方法提供了 一种更好地了解这些影响的窗口，并有助于加快（育种）进程。”
“最大的未知是T-DNA以多少拷贝插入，是否如你所愿，”前索尔克研究助理，现在在拜耳作物科学公司工作的Florian Jupe说。
由于T-DNA可以将所需基因的许多拷贝整合到植物中，而大多数技术都难以对高重复片段进行测序，因此很难用标准的DNA测序来研究最终结果。但是，Ecker和同事们转向了一种新的组合方法——光学测绘和纳米孔测序——来观察高分辨率的长拉伸。他们将这项技术应用于拟南芥的四个随机选择T-DNA系，这些植物源于大量的T-DNA插入突变体，这些突变体通常是以拟南芥转化法（或称花器浸蘸法）来研究基因功能而产生的。
光学测绘显示，这些植物的基因组中有1到7个不同的插入或重排，相差尺寸最高可达10倍。纳米孔测序和两系基因组重构证实了单碱基分辨率的插入，包括在所选系的染色体之间交换或易位的整个DNA片段。基因插入本身表现出多种模式，插入的DNA片段有时会混乱，倒置甚至沉默。
“这项研究在一年前还是不可能的，”文章共同一作Todd Michael说。“纳米孔测序被有些人称作DNA测序的‘圣杯’，它已经彻底改变了基因组中最复杂区域的解读，这些区域直到现在都是完全不可接近或未知的。”
最后，当研究人员检查遗传物质压缩包——组蛋白时，他们发现了额外的变化。组蛋白将DNA包装成结构单元，组蛋白修饰介导了一个基因是否可以被细胞利用（属于一种被称为表观遗传学的调节水平）。根据T-DNA整合的位置，其附近的某些组蛋白修饰出现或消失了，话句话说，这可能改变附近其他基因的调节或激活。
“现在我们对T-DNA插入如何塑造局部表观基因组环境有了第一手高分辨率的资料，”文章共同作者 Mark Zander说。研究人员说，在一个理想的世界里，T-DNA会插入一个单一的、功能性的所需基因拷贝，而不会对植物基因组产生任何副作用。研究结果表明，在拟南芥中反而很少出现这种理想情况。该方法为更好地理解和监测异样影响提供了一条途径。
“拟南芥实际相对比较容易，因为它们的基因组如此之小。随着DNA测序技术不断改进，我们预计这种方法对其他作物也是可行的，”Ecker补充道。“目前为了找到性能良好的株系，我们需要筛选数百个转基因株，有了这项技术，将提供一种更有效的方法。”
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