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遠古食物藜麥的基因組測試成功
沙特科學家們使用先進的技術對復雜的藜麥基因組進行了測序。這是科學家們對全球糧食安全相關的主要作物進行基因測序計劃中的一步。
2006 年,鑒于技術的不斷進步,研究人員估計 14 年內將完成 200 種作物的測序。這些年來,基因組學的發展速度已經大大超出了人們當時的預測。今天,已被測序的作物品種遠不止 200 種。事實上,大多數主要作物、家養動物和模式生物都已經被測序。然而,很多對當地居民生活、乃至全球糧食安全都有重要意義的超級作物卻仍未被測序。其中一種典型的、被忽視的超級作物就是安第斯藜麥(Chenopodium quinoa)。近日,Jarvis 等人在《自然》(Nature)中發布了藜麥的高質量基因組序列。
考古證據表明,7000 年前,藜麥在安第斯山脈喀喀湖附近的高原地區被馴化,它是印加文明之前的安第斯文明的主要糧食作物。藜麥因其營養價值和對各種惡劣環境的適應性而廣受歡迎。它生長在特殊的海拔高度(從海平面到海拔 4 公里),生長溫度范圍大(從 - 8°C 到 38°C),對濕度和土壤條件要求也不高。到二十世紀中葉,藜麥漸漸被淡忘,只有安第斯高原上與世隔離的小村落才繼續種植它。直到 20 世紀 70 年代,人們才注意到藜麥的營養價值和商業潛力。但如果要發揮藜麥的全部潛力,就需要先增加對藜麥育種計劃的科學投入。
     為實現這一目標,Jarvis 等人測序了約 1.5 G 的藜麥基因組數據。藜麥和許多植物一樣,是多倍體——它由兩種二倍體作物(不妨稱之為 A 和 B)雜交育種而成,每套染色體有九條,每條染色體有四個拷貝。它的祖作物 A 和 B 各貢獻 2 套染色體,最后得到四倍體后代。Jarvis 等人使用單分子實時測序與一系列復雜的定位技術結合,將彼此纏繞的 DNA 序列分離開來一一測序。
利用測序技術和定位技術的結合,Jarvis 等人發現了 439 個序列區域,這大約是藜麥基因組的 90%。他們把這些基因分成 18 個組,對應到 18 條基礎染色體上(從 A、B 處各得到 18 條染色體)。Jarvis 等人指出,藜麥基因組的 64% 由重復 DNA 組成,因此尋找獨立的基因區域實非易事。而 Jarvis 團隊成功繪制藜麥基因組圖譜的 90%,這一成果確實令人驚訝。
Jarvis 等人將轉錄物分析和起始預測(在基因組中搜索基因的特征性序列)結合使用,發現藜麥基因組含有 44,776 個基因。現有數據庫中已知的藜麥基因共 956 個,Jarvis 等人找到了其中的 97.3%。這表明 Jarvis 等人的基因數據幾乎涵蓋了整個藜麥基因組。
接下來,Jarvis 等人為藜麥屬的其它成員做了簡單測序:15 種遺傳不同的藜麥品種;5 個 C. Berlandieri 品種的多倍體親緣品種;2 個 C. Hircinum 的多倍體親緣品種;以及兩個疑似藜麥的 A 和 B 祖作物的二倍體作物 C.pallidicaule 和 C.suecicum。這些數據提供了藜麥馴化歷史和種植歷史的信息。
比較兩個疑似藜麥組作物的基因組,科學家發現,藜麥的 9 條染色體(一套拷貝)類似于來自于新大陸的 C. Pallidicaule(祖作物 A)。 另外 9 條染色體類似于 C. Suecicum(來自歐亞地區的祖作物 B)。這些數據為現有理論提供了進一步支持——330 萬到 630 萬年前,作物 B 在尚未雜交得到藜麥前,在整個大洋范圍都被廣泛種植。
限制藜麥成為廣泛的主要作物的一大約束是藜麥種子表面覆蓋的皂甙(saponins)。皂甙味苦,雖然能阻止害蟲,但是會破壞紅細胞。因此食用前必須清除皂甙——清除過程使用大量的水,并很耗人力。某些 “甜” 藜麥的皂甙水平非常低,更適合食用。然而,甜藜麥在安第斯山中尚未廣泛栽培,部分原因是皂甙水平低,不能抵御鳥類和其它害蟲的捕食,導致產量降低。
研究的最后,Jarvis 等人鑒定了與皂甙合成相關的 DNA 序列。候選序列是一小段編碼參與皂甙生物合成的兩種轉錄因子的基因片段。其中一個轉錄因子編碼片段 AUR62017204 在種子中表達,甜藜麥品系中 AUR62017204 的表達會產生一種可能減少皂甙合成的蛋白。
Jarvis 等人的基因組測序工作克服了研究和使用藜麥的關鍵障礙,但關于藜麥基因組仍存在諸多問題。例如,如果要證明 AUR62017204 突變會導致藜麥變 “甜”,那么科學家們需要將該突變引入到野生型藜麥中,以觀察該突變是否會降低皂苷的合成。但這種突變的引入需要基因工程改造藜麥(這一技術尚未實現)或通過使用基因組編輯直接修改 AUR62017204 基因(這是可能實現的,但需要投入時間和金錢)。
如果想利用基因組信息來提高藜麥產量,植物學家們需要進行大量的雜交培育工作。同樣地,藜麥和其它莧科植物對惡劣環境的耐受能力也需要更多的基礎研究。把藜麥的一些優秀特質轉移到其它作物上也有重要意義。
盡管如此,從生物學和進化學角度了解特定作物對農業的發展意義非凡。例如,如果科學家可以使用基因編輯加速甜藜麥的雜交,或找到藜麥特定形狀的 DNA 標記,那么就可以提高作物在惡劣環境的產量,推動當地經濟發展。同時,對其它被忽視的糧食作物進行基因組測序還有助于解決全球糧食?;?。

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