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揭开小麦耐除草剂之谜

从遗传学角度来说,在COVID-19关闭期间,你用压力烘烤的面包比你想象的更复杂。小麦的160亿个基因组成了不是一个而是三个半独立的基因组,它们可以相互重叠或替换,这使得遗传学家想要提高小麦这种世界上最广泛种植的作物的理想性状变得极为棘手。

其中一个特性就是对除草剂的耐受性。许多谷类作物,包括小麦,有一种天然的能力来解毒某些除草剂应用在它们中间的杂草。在最佳条件下,杂草会枯死,但作物却能挺拔。如果科学家能够识别出相关的基因,他们就有可能放大这些基因的表达,使解毒过程在一系列环境条件下更有效。

在伊利诺斯大学发表在《科学报告》上的一项新研究中,科学家们利用小麦灵活的基因组成来识别有助于合成生长素除草剂解毒的染色体区域。

“在20世纪50年代,科学家们提出了一种被称为‘异种替代’的方法,你可以用小麦亲戚的染色体替换其中一个的染色体,比如红芽羚。这些染色体非常相似,所以这种植物仍然可以生长,看起来也很像小麦。”伊利诺斯州作物科学系的教授和这项研究的合著者Dean Riechers解释说。“这样做的好处是,这种亲戚可能不具有与小麦相同的特性,所以这种外来替代系将有助于查明感兴趣的基因的位置。”

方法是现在普遍在小麦的研究,科学家们可以获得小麦与山羊草属植物种子searsii染色体,表示随着年代的基因组,潜艇的在为每个基因组的七个小麦染色体在所有三个(A, B, D)。这些被称为外星人替换行,瑞切尔斯和博士生奥利维亚Obenland用于确定合成生长素宽容小麦可能驻留在5号染色体上。

“尽管这种方法在寻找小麦抗病基因和其他有用基因方面很常见,但我们的研究小组是唯一使用这种方法来寻找除草剂耐受性的研究小组,”Riechers说。“我们基本上把这个列表从21条染色体缩减到1条,所以现在我们知道了未来基因发现的重点。”

Obenland在温室中种植了21个异种替代系,以及小麦品种“中国春”和“海鞘”,并对它们高剂量喷洒了合成的生长素类除草剂哈洛西芬-甲基。然后她比较了处理过的植物和未处理的对照植物的生物量。

研究人员预计并观察到《春菜》对人体的伤害很小,因为它有自然解毒的能力。但是searsii被证明对哈洛氧芬-甲基高度敏感,就像在5号染色体上有异型取代的小麦植株一样。

“通过将5A与外来物种的5S染色体进行subbing,我们去掉了小麦对哈洛氟甲基的天然耐受性,并使其变得敏感,”Obenland说。

5B染色体替代的植株也表现出一定的敏感性,但只有在高剂量施用除草剂时才表现出敏感性。虽然这意味着5B可能也拥有参与合成植物生长素解毒的基因,但目前的结果表明5A是关键因素。有趣的是,根据这项研究,小麦第三(D)基因组中的第5D染色体似乎并没有发挥主要作用。

下一步是筛选5A染色体,寻找可能涉及除草剂耐受性的特定基因。Obenland和Riechers已经在研究这个问题了,尽管他们已经发现了一些有趣的基因与他们在耐水大麻中发现的基因有关,但是如果没有进一步的分子测试,他们不会公布这些结果。

“最终,我们希望拓宽和加深我们对小麦对哈洛酮甲基的天然耐受性的理解,以及对其他合成植物生长素除草剂的理解,这是一个伟大的第一步。”应用现有的基因工具来解决一个新的科学问题是非常令人满意的,”Riechers说。

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