嫁接植物的基因组可以相互沟通

农业嫁接可追溯到近3000年。通过反复试验，从中国古代到古希腊的人们意识到，将一个植物的切枝连接到另一个植物的茎上可以提高作物的质量。现在，Salk研究所和剑桥大学的研究人员利用这种古老的实践，结合现代基因研究，表明嫁接植物可以分享表观遗传特征，根据2016年1月18日发表在“ Proceedings of the Proceedings of the Proceedings of the Proceedings”中的一篇新论文国家科学院。

“嫁接经常在商业世界中完成，但我们真的不完全了解这两种植物的后果，”该论文的高级作者之一和Salk基因组分析实验室主任Joseph Ecker说。“我们的研究表明遗传信息实际上是从一种植物流向另一种植物。这让我感到意外。”

植物之间共享的遗传信息不是DNA-两种嫁接植物保留其原始基因组 - 但是表观遗传信息正在植物内传播。

在表观遗传学中，化学标记作用于植物或动物DNA中的现有基因，以打开或关闭基因。表观遗传学可以确定细胞是否成为肌细胞或皮肤细胞，并确定植物如何对不同的土壤，气候和疾病作出反应。“未来，这项研究可能会让种植者利用表观遗传信息来改善作物和产量，”该论文的第一批作者之一和Salk研究助理Mathew Lewsey说。

为了追踪表观遗传信息的流动，Salk和剑桥团队专注于称为小RNA或sRNA的微小分子。存在各种类型的表观遗传过程，但sRNA有助于称为DNA甲基化的基因沉默过程。在DNA甲基化中，分子标记物沿着DNA的顶部结合，阻止细胞的机器在分子标记下读取或表达基因。

该研究小组的剑桥成员先前的研究表明，sRNA可以从梢移植到嫁接植物到根部。因此，研究人员设计了一种嫁接试验，其中包括拟南芥(拟南芥)植物的三种变异。两个品种是野生型拟南芥，而第三个品种是缺乏任何种类的sRNA的突变体。

在进行每次移植后，研究人员分析了枝条和根组织，以寻找植物不同基因组中DNA甲基化的变化。他们还证实了sRNA是否从野生型植物转变为缺乏sRNA的突变品种。

“这种设置使我们能够观察到一些非常独特的东西：它们实际上传递了等位基因的表观遗传等效物，称为epialleles，”Lewsey说。

等位基因是在物种内共享的基因，但可能因个体而异，例如发展亨廷顿氏病的等位基因。在这种情况下，研究人员正在寻找植物表观基因组中的位点，这些位点是由表观遗传过程改变的等位基因。换句话说：epialleles。

“因为这两种野生型植物沿其基因组的表观遗传学不同，我们可以观察到如何将枝条移植到根上实际上可以将一种植物从一种植物转移到另一种植物，”Lewsey说。

该论文的高级作者大卫•鲍尔科姆(David Baulcombe)承认，这一新发现并非完全出乎意料。先前较小规模的工作表明，sRNA可以移动并介导受体组织中的表观遗传变化。

“然而，出乎意料的是移动RNA导致的变化规模，”剑桥大学植物科学系的Baulcombe说。

沿着thale水芹基因组的数千个位点被sRNA沉默。通过检查这些epialleles的位置，研究人员可以开始寻找他们的目的的线索。在实验中观察到的epialleles通常沉默称为转座因子或转座子的基因组区域。

转座子构成了所谓的黑暗DNA的一部分，或者是不编码基因的大部分基因组。转座子最初被称为“跳跃基因”，可以从基因组的上下移动，影响附近基因的表达。实验中sRNA靶向的许多转座子与活性基因的位置非常接近。

尽管转座子存在这种沉默，但野生型植物和缺乏sRNA的突变植物之间的基因表达只有很小的变化。“我们认为这是因为拟南芥基因组的紧凑性，”Lewsey说。“转移到具有更大基因组的物种和更活跃的转座子可能会显示出更大的差异。”

由于新的基因编辑工具，可以用更复杂的流行作物基因组进行类似的嫁接实验。“在其他具有更复杂基因组的植物中，这些效应将被放大数百倍，”艾克尔说，他也是霍华德休斯医学研究所和戈登和贝蒂摩尔基金会的研究员。

Baulcombe同意，作物植物的移动RNA的表观遗传效应可能比目前工作中使用的模型物种大得多。这两个研究小组正在计划扩大合作，以探索西红柿和其他作物的这些影响。“在单株植物的根和芽之间已经存在数千种其他表观遗传差异 - 两种嫁接植物在遗传上也存在差异，”Ecker说。“因此，在植物根系中创造这种细微差别是植物的新特征。”