导航玉米迷宫：一种绘制玉米基因组的“光开关”技术

全面了解基因是如何调控的是全世界科学家的主要目标。现在，研究人员已经开发出一种技术，可以绘制出一个基因组中几乎所有可能的调节开关。

　　

在农业领域，科学家们一直试图通过培育不同的作物(如玉米或小麦)来增强对干旱、洪水或植物病毒等外部力量的抵抗力，从而提高作物产量。

生物科学教授汉克·巴斯(Hank Bass)说:“对基因组结构的了解应该有助于聚焦基因组编辑，并加速更大规模的应用研究，比如指导精准农业和医学的研究。”

这项研究发表在《PLOS Genetics》杂志上。

由转录因子控制的调控开关几乎就像基因的光开关。所有的基因都有特定的功能，但有些只是在不同的发育阶段短暂地发挥作用。当这个过程出错时，它可能会破坏植物正确生长或抵抗疾病的能力。

“通过创建玉米调控位点和转录因子的精确图谱，基因表达可以通过靶向这些位点来优化，”这篇论文的第一作者、FSU校友Savannah Savadel说，她目前在贝勒医学院(Baylor College of Medicine)工作。“这可能意味着更健康的植物，更高的营养含量，更好的生长或抗旱能力，这在农业困难的地区是一个特别重要的担忧。”

知道转录因子在何处与基因结合，使研究人员能够理解正常和病理环境下基因调控的生物化学。

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玉米是一种复杂的植物，已有数百名研究人员对其进行了研究，因为它是一种很好的遗传模型物种，也有助于揭示其他植物的遗传。玉米基因组有大约20亿个碱基对——构成DNA的双链核酸单位。相比之下，人类大约有29亿个碱基对。

巴斯和他的同事使用他们的技术，称为MOA-seq，绘制DNA序列的小块约30个碱基对。该方法提取细胞核，并应用一种酶作为探针。它扩散到细胞核，并识别DNA的区域，可以通过转录因子结合进行修饰。

将DNA图谱缩小到更小的30个碱基对，将允许研究人员使用CRISPR等基因编辑工具来修改基因的特定区域。

巴斯说:“我们在玉米穗的概念验证测试组织中发现了高精度的开关。降低到这个序列水平的能力意味着你可以在这些开关的结合位点内寻找遗传变异。这使得精准农业成为可能。”

巴斯在过去的十年中一直在改进染色质敏感性分析技术。他与德国马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)的研究员托马斯·哈特威格(Thomas Hartwig)共同撰写了这篇论文。哈特威格在参加了巴斯举办的研讨会后，提出了一项合作计划，该研讨会教研究人员如何使用这种方法。萨瓦德尔在佛罗里达州立大学的主要论文中做了很多实验。

复旦大学生物科学副教授Jonathan Dennis和统计学副教授Jinfeng Zhang参与了这项研究，研究生Zachary Turpin, Pei-Yau Lung, Xin Sui和前复旦大学研究生Daniel Vera也参与了这项研究。马克斯·普朗克研究所的沃尔夫·弗罗默和马克斯·布兰克也对这项研究做出了贡献。

Savannah D. Savadel, Thomas Hartwig, Zachary M. Turpin, Daniel L. Vera, Pei-Yau Lung, Xin Sui, Max Blank, Wolf B. Frommer, Jonathan H. Dennis, Jinfeng Zhang, Hank W. Bass. The native cistrome and sequence motif families of the maize ear. PLOS Genetics, 2021; 17 (8): e1009689 DOI: 10.1371/journal.pgen.1009689