Nature子刊:利用“隐形”染色体传递积极性状

【字体: 时间:2022年09月23日 来源:Nature Plants

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  理想的作物植物是美味和高产,同时还能抗病虫害。但是,如果相关基因在染色体上的距离很远,那么在繁殖过程中,这些积极的性状可能会丢失。为了确保积极的性状可以一起传递,卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员使用CRISPR/Cas分子剪刀来反转染色体,从而使其在基因上失去十分之九的活性。染色体这部分编码的性状在基因交换中变得“不可见”,因此可以不受影响地遗传下去。研究人员在《自然植物》杂志上发表了他们的发现(DOI: 10.1038/s41477-022-01238-3)。

  
   

Using genetic scissors, KIT researchers have inverted and deactivated nine-tenths of a chromosome to prevent genetic exchange (detailed caption at end of text; illustration: Michelle R?nspies, KIT).    

图:父系和母系特征的遗传交换通常发生在染色体的整个长度上。通过用CRISPR/Cas分子剪刀反转大部分染色体(黄色),这种交换现在可以被限制在极端端(紫色和蓝色)。    

图片来源:Michelle Rnspies, KIT

理想的作物植物是美味和高产,同时还能抗病虫害。但是,如果相关基因在染色体上的距离很远,那么在繁殖过程中,这些积极的性状可能会丢失。为了确保积极的性状可以一起传递,卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员使用CRISPR/Cas分子剪刀来反转染色体,从而使其在基因上失去十分之九的活性。染色体这部分编码的性状在基因交换中变得“不可见”,因此可以不受影响地遗传下去。研究人员将他们的研究结果发表在Nature Plants (DOI: 10.1038 / s41477 - 022 - 01238 - 3).    

利用CRISPR/Cas分子剪刀可以对植物中的基因进行定向编辑、插入或抑制。(CRISPR是聚类规则间隔短回文重复。)这种方法可以使植物对害虫、疾病或环境影响更有抵抗力。Holger Puchta教授说:“近年来,我们首次能够使用CRISPR/Cas不仅编辑基因,而且改变染色体的结构。”Holger Puchta教授30年来一直与他在KIT植物研究所的团队一起研究基因剪刀的应用。基因是沿着染色体线性排列的。通过改变它们的序列,我们能够展示植物中所需的性状是如何从不需要的性状中分离出来的。” 

现在,研究人员已经能够阻止基因交换。基因交换通常是遗传过程的一部分,但会破坏性状之间的联系。普赫塔说:“我们可以几乎完全关闭一条染色体,使它看起来不可见,这样该染色体上的所有特征就可以在一个包中传递下去。”到目前为止,如果一种植物的性状要一起遗传下去,这些性状的基因必须在同一条染色体上彼此接近。如果这样的基因在染色体上扩散得更远,它们通常在遗传过程中就会分离,因此在繁殖过程中就会失去有益的性状。 

向大自然学习:染色体工程阻止基因交换  

在他们的研究中,科学家们遵循了大自然的榜样。“这些逆转或倒置——一种基因隐形——也经常在野生和栽培植物中以较小的规模发生。我们向大自然学习,应用并扩展了我们关于自然过程的知识,”Puchta说。

在与莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所(IPK)的Andreas Houben教授的合作中,Puchta和他的团队将模式生物拟南芥(芥菜)的染色体翻转了十分之九。只有在染色体的末端,基因才保留了原来的序列。Puchta说:“有了这些片段,染色体就可以像其他染色体一样传递给下一代,而不会完全丢失。” 

使未来培育更高效、更健壮的作物植株成为可能  

为了有效地培育作物,在一株植物中结合尽可能多的有利性状是很重要的。“当然,植物育种者希望他们的产品味道好,含有尽可能多的维生素,同时还能抵抗疾病。用我们的方法,我们可以在未来让这变得更容易,”Puchta说。

文章标题

Massive crossover suppression by CRISPR–Cas-mediated plant chromosome engineering

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