新技术为转基因植物提供了前所未有的细节

Salk研究人员已经绘制了具有最高分辨率的转基因植物系的基因组和表观基因组，以准确揭示插入一片外源DNA时在分子水平上发生的情况。他们的研究结果发表在2019年1月15日的PLOS Genetics杂志上，阐明了用于修饰植物的常规方法，并提供了更有效地减少潜在脱靶效应的新方法。

“这真的是一个起点，表明可以使用最新的测绘和测序技术来研究将基因插入植物基因组的影响，”霍华德休斯医学研究所研究员Joseph Ecker说，他是Salk植物分子学教授细胞生物学实验室和基因组分析实验室负责人。

当一个科学家想要将一种新基因植入植物中 - 用于基础研究目的或增加食物作物的健康或营养时 - 他们通常依靠根癌农杆菌来完成工作。土壤杆菌是引起冠瘿肿瘤的细菌，树干上有大的凸起。几十年前，科学家们发现，当细菌感染树木时，它会将一些DNA转移到树的基因组中。从那以后，研究人员为了自己的目的选择了土壤杆菌的这种转移能力，利用其转移DNA(T-DNA)将所需基因转移到植物中。

最近，DNA测序技术开始暗示当农杆菌 T-DNA用于将新基因插入植物中时，它可能导致天然DNA的结构和化学性质的额外变化。

“生物技术公司花费了大量的时间和精力来描述转基因植物的特征，并忽视不必要的变化而不理解 - 从基本的生物学角度 - 为什么这些变化可能已经发生，”Ecker说。“我们的新方法提供了一种更好地理解这些影响的方法，可能有助于加快这一过程。”

“最大的不确定因素是T-DNA是否与你想要的同时插入了多少拷贝，”前Salk研究员Florian Jupe说道，他现在在拜耳作物科学公司工作。Jupe，Salk员工研究员Mark Zander和研究助理Angeline Rivkin是新报的共同第一作者，以及J. Craig Venter研究所的Todd Michael。

由于T-DNA方法可以将所需基因的许多拷贝整合到植物中，因此用标准DNA测序研究最终结果可能是困难的，因为大多数技术难以对高度重复的DNA序列进行测序。但是Ecker和他的同事们转向了一种新的方法组合 - 包括光学测绘和纳米孔测序 - 以高分辨率观察这些长时间的延伸。他们将这些技术应用于拟南芥(Arabidopsis thaliana)的四个随机选择的T-DNA系，拟南芥是生物学中常用的模型植物。(这些植物来自大量的T-DNA插入突变体，使用拟南芥转化方法，称为花浸，用于研究基因功能。)

光学作图显示植物在其基因组中具有一至七个不同的插入或重排，大小几乎为十倍。两个细胞系的基因组的纳米孔测序和重建证实了单字母分辨率的插入，包括在所选择的一条染色体之间已经交换或易位的DNA的整个区段。基因插入本身显示出多种模式，插入的DNA片段有时会被扰乱，倒置甚至沉默。

“这项研究甚至在一年前还不可能，”迈克尔说。“Nanopore测序，有些人称之为DNA测序的'圣杯'，它甚至彻底改变了基因组的最复杂区域的读数，这些区域到目前为止是完全无法接近和未知的。”

最后，当研​​究人员研究称为组蛋白的遗传物质包时，他们发现了其他变化。组蛋白将DNA包装到结构单元中，并且这些组蛋白的修饰介导基因是否可以被细胞使用(称为表观遗传学的调节水平)。根据T-DNA整合的位置，某些附近的组蛋白修饰出现或消失，可能会改变其他附近基因的调节或激活。

“现在我们对T-DNA插入如何塑造局部表观基因组环境有了第一个高分辨率的见解，”Zander说。

研究人员表示，在一个理想的世界中，T-DNA会插入一个所需基因的单一功能性拷贝，对植物的基因组没有附近的副作用。虽然他们的研究结果表明在拟南芥中很少出现这种情况，但他们的方法为更好地理解和监测这些影响提供了途径。

“这项技术令人兴奋，因为它让我们更清楚地了解这些转基因拟南芥品系中的情况，”Rivkin说。

“对于拟南芥，它相对容易，因为它具有如此小的基因组，但由于DNA测序技术的持续改进，我们预计这种方法也可用于作物植物，”Ecker补充说，他是Salk国际理事会遗传学主席。 。“目前的方法需要筛选数百种转基因品系以找到性能良好的品系，例如那些没有额外插入的品系，因此这项技术可以提供更有效的方法。”