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最新研究发现:玉米驯化过程中籽粒的外壳为什么丢失了

2015-07-15 作者:新锐君 来源:微信号新锐恒丰
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要不是因为发生了基因突变,我们今天看到的玉米不是现在这个样子,每个籽粒都会像核桃一样被一个不可以吃的外壳包裹着。根据发表在美国遗传学会刊物《Genetics》2015年7月期的一篇研究报告,基因突变使得控制调控籽粒外壳的蛋白质的特定位置的氨基酸发生了变化。

Wisconsin-Madison大学的JohnDoebley(该研究的负责人)说,人类的驯化使玉米的祖先发生了彻底的改变,使得玉米的籽粒裸露在外。我们的研究结果表明,微小的基因改变的确可以发生如此巨大的变化。


图1. Teosinte和人工重组玉米(人工重组玉米是认为将Teosinte与阿根廷爆裂玉米杂交,挑选最小的后代。其与在墨西哥Tehuacan峡谷考古发现的最早的玉米化石非常接近。)(图片编辑:John Doebley)


图2  左:Teosinte果穗;右:现代玉米果穗;中:Teosinte和现代玉米的杂交一代果穗(图片编辑:John Doebley) 

一直以来,研究进化的生物学家着迷于玉米的驯化过程。无论是在自然选择还是人为选择(通过选择人类可以获得更美味,产量更高的植株供来年种植。)的压力下,玉米可以提供生物是如何发生改变的线索。

大约9000年以前,人类在墨西哥从野生Teosinte驯化了玉米。在那个时期,由于Teosinte的籽粒被一层厚厚的外壳包裹,人类不能直接食用。古代的“育种家”选出了有裸露籽粒的植株。其实,这些籽粒裸露在外的植株,是由于形成籽粒外壳的组织机构变化玉米的芯,从而籽粒裸露在外人类可以直接食用。

尽管在玉米驯化的过程中,玉米籽粒的外壳丢失了,但籽粒牢牢的黏着在芯上,而不像Teosinte的籽粒易于散落。现代的玉米果穗变的更大了,叶片变少了。Doebley和他的同事,在过去的几十年研究中发现了这些性状的基因变化。

这些变化的演变速度相当迅速,最多几千年的时间。之前的研究发现表明,造成玉米和Teosinte的巨大差异可能至少要六个基因的变化。

其中一个基因是tga1,它控制种子外壳的形成。TGA1蛋白由一个“主调空基因”编码,该“主调控基因”则调控一系列控制复杂生长过程的基因。

Doebley 说,TGA1就像一个管弦乐队的指挥,它指挥着所有的音乐师。根据指挥的不同手势信号,可以演奏出不同的美妙音乐。

在Teosinte里,TGA1调空基因形成籽粒的外壳;而在现代玉米里,TGA1则破坏了籽粒外壳形成这一过程。但这两种tga1基因到底有什么区别呢?

为了找出差异,该团队对16个现代玉米品种和20个Teosinte品种的TGA1基因进行了测序。结果发现,所有的现代玉米品种的tga1基因序列里的是C碱基,不是Teosinte的G碱基。正是这个碱基的变化导致TGA1蛋白里的一个氨基酸从Teosinte的赖氨酸变成了现代玉米的天冬酰胺酸。

当研究人员测试TGA1中氨基酸的变化时,结果显示现代玉米的蛋白质倾向卷曲形成二聚体?;虿钜煲步玊GA1变成了“抑制蛋白”,抑制基因的表达。

Doebley说,拿前面的管弦乐队进行类比,Teosinte里的TGA1指挥让乐队表演的声音大点,而现代玉米的TGA1指挥让乐队表演的柔和点—或者用术语来说就是抑制基因表达。这种基因抑制足以改变籽粒的外壳的形成。

换句话说,不同的tga1控制玉米籽粒外壳的有无。

Doebley说道,该研究成果应该归功于王怀(音译Huai Wang),因为这一系列试验解决了玉米演化过程中的一个大问题。

REFERENCE

Evidence that the origin of naked kernels during maize domestication wascaused by a single amino acid substitution in tga1 (2015).Huai Wang, Anthony J. Studer, Qiong Zhao, Robert Meeley, and John F. Doebley. Genetics200(3): 965-974, doi: 10.1534/genetics.115.175752

http://genetics.org/content/200/3/965

FUNDING

US National Science Foundation

More newsfrom: GeneticsSociety of America

Website: http://www.genetics-gsa.org

Published: July 13, 2015

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注:本文为新锐君翻译自seedquest



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[责任编辑:gaoxiaoou] 标签: 研究发现 玉米 驯化 籽粒 外壳 丢失
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