植物基因工程凸显植物特异性调控元件

随着人口持续爆炸式增长，对农作物高效生长的需求也在扩大。尽管植物遗传学和改良方面已经取得了长足的进步，但在了解植物物种之间如何调节作物性状(例如果实生长)方面仍然有很多东西需要学习。

由ZacharyLippmann博士领导的冷泉港实验室的一个研究小组发现了同一基因CLAVATA3(CLV3)的不同调控系统。该基因已保存超过1.25亿年，在番茄和拟南芥中受到不同的控制。

“一个引人注目的悖论是，随着时间的推移，具有保守蛋白质序列、功能和表达模式的基因通常表现出极其不同的顺式调控序列。目前尚不清楚跨物种如此剧烈的顺式调控进化如何能够保留基因功能，以及这些差异在多大程度上影响物种内出现的顺式调控变异如何影响表型变化，”科学家们写道。

“在这里，我们使用表达模式和功能保守约1.25亿年的植物干细胞调节剂研究了这些问题。我们在拟南芥(Arabidopsis)和番茄(Solanumlycopersicum)这两个关系较远的模型中使用体内基因组编辑，在干细胞阻遏基因CLAVATA3(CLV3)的上游和下游区域生成了70多个缺失等位基因，并比较了它们的个体和对共同表型(产生果实的心皮数量)的综合影响。

“我们发现，与下游区域相比，番茄CLV3上游序列对即使很小的扰动也高度敏感。相比之下，拟南芥CLV3功能能够耐受编码序列上游和下游的严重破坏。结合上游和下游缺失也揭示了不同的监管结果。虽然在番茄中添加下游突变带来的表型增强主要是弱的和累加的，但拟南芥CLV3的两个区域的突变引起了实质性的协同效应，证明了功能性顺式调控序列的独特分布和冗余。

“我们的结果表明，深度保守的植物干细胞调节剂的顺式调节结构组织具有显着的可塑性，并表明顺式调节序列空间的主要重新配置是一种常见但神秘的进化力量，通过保守的植物干细胞调节剂的调节变异改变基因型与表型的关系。基因。最后，我们的研究结果强调需要对顺式调控的空间结构进行谱系特异性剖析，以有效地设计作物中保守生产力基因的性状变异，”科学家们写道。

创造突变体来研究基因功能

通过对这两个物种进行基因组编辑，研究人员创造了70多种突变植物。他们探索了CLV3上游和下游的调控区域，以确定这些区域对这个高度保守基因表达的影响。“CLV3有助于植物正常发育。如果它没有在准确的时间打开，那么植物看起来就会非常不同。所有的成果都将是巨大的，而且并不理想，”该研究的主要作者、最近的博士研究生DanielleCiren博士说。

在番茄中，CLV3开始时调控区域的修改对果实大小产生了巨大影响，而拟南芥只有在上游和下游目标都被破坏时才会长大。这表明，在大约1.25亿年前，这些植物进化分化时，有某种力量推动了这些调控变化。

“你无法回到共同祖先，因为它们已经不存在了。所以很难说原始状态是什么，又是如何混合在一起的。”次仁说道。“最简单的解释是，有一个监管要素在某些方面得到了保留，并且已经以微妙的方式发生了改变。有点出乎意料。”

就作物生长而言，仅仅打开或关闭基因并没有简单的答案。时机就是一切，考虑果实大小和预期产量对于作物生长的可持续性非常重要。“你必须平衡增长和产量。如果一株植物有巨大的西红柿，但只有两个，这与降低产量一样有益吗?没有简单的解决方案。当你试图改进某些东西时，你总是会牺牲一些东西。”Ciren总结道。