胡萝卜基因组绘制驯化图片 可以帮助改善作物

2019-02-06 18:26

胡萝卜基因组绘制驯化图片 可以帮助改善作物



  有时,物种的进化历史可以在化石记录中找到。其他时候,岩石和印记必须换成DNA和遗传指纹。后者是适合你的胡萝卜的案例,这是一种顶级作物,其完整的遗传密码刚刚由威斯康星大学麦迪逊分校园艺学教授和遗传学家Phil Simon领导的一组研究人员破译。西蒙还是美国农业部农业研究服务部的研究科学家,该部门为这项工作提供资金支持。该研究发表在Nature Genetics期刊上。

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  它讲述了胡萝卜是如何被驯化和繁殖实践所触及并受到环境和地质变化影响的故事,并且它填充了亲属的家谱,否则这些亲属看起来不同。它还揭示了胡萝卜如何很好地积累类胡萝卜素,这种色素化合物赋予它们特有的颜色并为它们提供营养强度。

  “胡萝卜作为一种作物享有良好的声誉,我们知道这是一种重要的营养来源 - 特别是维生素A,”西蒙说。“现在,我们有机会深入挖掘,这对于改善作物的工具箱来说是一个很好的补充。”从研究中获得的知识也可以改善类似的作物,从欧洲防风草到黄色肉质木薯,这是非洲大部分地区的主食。

  “这是一个重要的公私合作项目,基因组信息已经可用于帮助改善胡萝卜特性,如提高-胡萝卜素水平,耐旱性和抗病性,”共同作者Allen Van Deynze说。加州大学戴维斯种子生物技术中心的研究。“展望未来,基因组将成为胡萝卜分子育种的基础。”

  胡萝卜作为驯化的根茎作物具有悠久的历史。第一批栽培的胡萝卜出现在1100年前的中亚地区。这些胡萝卜不像白色的野生祖先 - 紫色和黄色。规范的橙色胡萝卜后来出现在欧洲的16世纪,当时为德国和西班牙艺术提供了一个美学主题。甚至在驯化之前,野生胡萝卜种子就出现在德国和瑞士的3000到5000年的原始露营地。

  该研究无法回答为什么第一批作物是紫色和黄色,尽管它可以证实它不是因为味道。颜色基因和与优选香料相关的基因没有关联。但是那种有色胡萝卜变得流行是偶然的:颜料是使它们营养的原因,橙色胡萝卜是最有营养的,Simon说。胡萝卜是美国饮食中最丰富的维生素A来源。

  新的研究揭示了橙色是如何发生的。“橙色色素的积累是一种通常不会发生的积累,”西蒙说,他是世界上少数胡萝卜研究人员之一,还有另一位威斯康星大学麦迪逊分校的科学家欧文戈德曼(Irwin Goldman)。“现在,我们知道基因是什么以及他们做了什么。”

  研究小组使用南特胡萝卜 - 一种以法国城市命名的鲜橙色蔬菜 - 来组装和分析完整的基因序列,凝视着驱动胡萝卜进化的机器,以及随着时间推移而留下的面包屑。

  胡萝卜基因组包含超过32,000个基因,排列在9条染色体中,这些基因编码抗病虫害,彩色类胡萝卜素等。类胡萝卜素,如-胡萝卜素和-胡萝卜素,最初是在胡萝卜中发现的。

  研究人员发现了与葡萄和西红柿,猕猴桃和土豆等远缘植物有关的特征。胡萝卜最近从莴苣中分离出来,与香料和茴香等香料作物属于同一家族。

  研究人员还对35种不同类型的胡萝卜进行了测序,以便将它们与野生祖先进行比较。他们表示胡萝卜首先在中东和中亚驯化,证实了Vavilov多样性中心理论,该理论预测栽培植物来自特定区域而非随机。

  他们还了解到,在白垩纪和古近纪时期之间的某个时间 - 大约在恐龙灭绝的时候 - 胡萝卜获得了与其他植物相同的遗传优势,使它们能够茁壮成长。

  此外,该研究证实,一种名为Y的基因负责白胡萝卜与黄色或橙色胡萝卜之间的差异,并且其变异导致类胡萝卜素的积累。

  但它也发现了一种新的,以前未知的新基因,它有助于丰富多彩的化合物的积累。这两个基因都是隐性的,这意味着类胡萝卜素需要两个副本才能在植物中积累,这实际上是代谢途径中的一个缺陷,似乎与光敏感有关。

  植物通过光感或光合作用获得自己的营养,但像胡萝卜这样的根通常不会暴露在光线下,也不需要光合色素如类胡萝卜素。“这是植物在光照下生长时通常使用的基因的再利用,”西蒙说。

  看来这些基因是由早期种植者无意中选择的,西蒙认为它可能只是为了帮助早期的家畜 - 可能是女性 - 区分野生胡萝卜和他们打算种植的植物。

  “他们可以通过选择只有紫色或黄色的野生胡萝卜来保持他们的庄稼干净,只选择紫色或黄色的那些,”西蒙说,他开玩笑说:“或者这可能是十世纪的食物时尚,橙色在16日。“

  全球胡萝卜消费量在1976年至2013年间翻了两番,在过去40年中,通过选择更加强烈的橙色作物,育种导致更多营养丰富的胡萝卜。事实上,胡萝卜今天的胡萝卜素含量比1970年增加了50%。

  虽然大多数美国人并不缺乏维生素A,但它被认为是一种必需的营养素,缺乏症是一些美国社区和世界各地的问题。虽然该研究可能无法解决问题,但它确实突出了胡萝卜为改善其他国家的健康和经济成果而提供的机会。

  “在全球范围内,我们分发维生素A胶囊,但为什么不让人们自己种植?” 西蒙问道。“在一平方米的面积上,你可以每年种植一批胡萝卜,以养活六个成年人。你可以在半年内生长一半,在六个月内生长一半,为你提供可持续的维生素A来源和市场上有价值的作物“。

  该研究还通过利用新技术回答有关栽培作物的基本问题,反映了植物育种者的运作方式。

  “它告诉我们关于我们预期但以前不知道的基因组的事情,”西蒙说。“每种作物都有一个故事要讲。”