nature

当前位置: Nature » 基因&基因组学 » 正文

Nat Genet:福建农林大学明瑞光研究组发表菠萝基因组研究突破文章

摘要 : 11月2日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Genetics》在线发表了福建农林大学基因组与生物技术研究中心明瑞光教授团队的研究论文“菠萝基因组与景天酸代谢光合作用的演化.

 11月2日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Genetics》在线发表了福建农林大学基因组与生物技术研究中心明瑞光教授团队的研究论文“菠萝基因组与景天酸代谢光合作用的演化(The pineapple genome and the evolution of CAM photosynthesis)”,该研究在全世界首次破译菠萝基因组。福建农林大学为该论文的第一作者单位和第一通讯作者单位。参与该研究项目的还有福建农林大学生物技术研究中心的唐海宝等研究生。

通过对菠萝基因组进行测序,福建农林科技大学等处的科学家们,正在研究“使多汁的菠萝植物能够生长在缺水环境”的基因和遗传途径。

该研究由福建农林大学牵头,联合台湾大学、中国科学院、美国依利诺依大学香槟校区等17个研究机构共同完成。菠萝使用一种独特的光合作用途径,称为“景天酸代谢”(CAM),是一种利用昼夜节律的碳固定方法。该项研究在全世界首次鉴定出菠萝基因组中所有参与景天酸代谢途径的基因,首次阐明了景天酸光合作用基因是通过改变调控序列演化而来,并且受昼夜节律基因的调控,是光合作用功能演化研究的重大突破,首次证明了转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素,而且还首次证明了菠萝基因组可作为所有单子叶植物的参考基因组。该研究成果对包括禾本科粮食作物在内的大量单子叶植物的功能研究和产业发展具有重要的参考意义,对全球菠萝的遗传改良具有里程碑贡献,对我国乃至全球农业的基础研究具有重要意义。

明教授表示:“分析表明,与共有祖先的禾草植物相比,菠萝基因组有一个更少的全基因组复制,使菠萝成为禾谷类作物基因组研究的最好对照组。”这项工作揭示了菠萝历史上两个全基因组重复的证据,并验证了以前在禾草植物中三个这种复制的发现。菠萝利用一种特殊的光合作用,称为景天酸代谢(CAM),其在10000多个植物物种中具有独立的进化。CAM植物使用的水,只有典型C3作物的百分之20,CAM植物可以在不适合大多数作物的干旱环境和贫瘠土地中生长。

对菠萝基因组的更深入研究表明,一些有助于CAM光合作用的基因,是受植物的生物钟基因所调节,这使得植物能够区分白天和黑夜,并相应地调整它们的新陈代谢。

明教授指出:“这是第一次发现,CAM光合作用基因的调控因子和生物钟之间存在一种联系。这合乎情理,因为CAM光合作用可让植物在白天关闭气孔,在夜间打开它们。这有助于菠萝适应炎热干燥的气候,因为植物在白天通过叶片失去的水分很少。”

“CAM光合作用使植物在夜间能够吸收二氧化碳并将其固定成分子,集中在它的叶片中,并在第二天释放用于光合作用。”

研究人员写道:“干旱是全球农作物损失的主要原因,因此,了解植物进化到水分胁迫中生存的机制,对作物品种的抗旱性至关重要。在白天,CAM植物可以保持它们的气孔关闭,大大减少水的损失。”

研究人员报道称,CAM和C4光合作用,是禾草植物中常见的,可使用许多相同的酶,将二氧化碳浓缩在植物叶片中。其他植物,如大豆,使用效率较低的C3光合作用,但缺少C4和CAM光合作用的CO2浓缩机制。该研究小组发现,CAM光合作用通过重构参与C3光合作用的分子途径,而发生进化。他们写道:“所有的植物都含有CAM光合作用必需的基因,CAM的进化只需要改变原有的途径。”

明教授说,了解这些不同类型的光合作用的演变,将有助于科学家们努力开发更重要作物的高产、耐旱品种。例如,美国能源部资助了一个项目,探索沙漠植物进行CAM光合作用和耐旱性的遗传机制,目的是将这些特性引入潜在的生物燃料作物。让粮食作物更耐旱也有助于人类适应气候变化。

他说:“较高的水分利用效率,是一个非常理想的特点,因为在气候不断变化的背景下,到2050年需要粮食生产翻番。”

菠萝是全球仅次于香蕉的最主要热带水果,有85个国家生产,种植面积100多万公顷,新鲜菠萝的年产值达86亿美元。闽台地区是我国热带水果产区,我省闽南地区是全国菠萝的重要产区,菠萝也是闽台农业示范园的主产水果,被称为“小金砖”的台湾凤梨酥就是由菠萝生产而得,产值超过260亿新台币。由于受自交不亲和与高杂合度的限制,菠萝品种很难改良,产业发展极其缓慢。本研究成果为改善许多重要的菠萝性状提供了有价值的遗传资源,将极大促进菠萝品种改良和产业发展,对台湾该产业的发展也具有重要意义,将产生重大的经济和社会价值。

15c63c96-2eac-45e2-8bea-b87b07985086

菠萝25条染色体的两次全基因组复制的图示

8c2b2336-ce88-4805-bfa2-45d11d0db8d1

菠萝景天酸途径的演化

原文链接:

Genome-scale detection of hypermethylated CpG islands in circulating cell-free DNA of hepatocellular carcinoma patients

原文摘要:

Despite advances in DNA methylome analyses of cells and tissues, current techniques for genome-scale profiling of DNA methylation in circulating cell-free DNA (ccfDNA) remain limited. Here we describe a methylated CpG tandems amplification and sequencing (MCTA-Seq) method that can detect thousands of hypermethylated CpG islands simultaneously in ccfDNA. This highly sensitive technique can work with genomic DNA as little as 7.5 pg, which is equivalent to 2.5 copies of the haploid genome. We have analyzed a cohort of tissue and plasma samples (n = 151) of hepatocellular carcinoma (HCC) patients and control subjects, identifying dozens of high-performance markers in blood for detecting small HCC (≤ 3 cm). Among these markers, 4 (RGS10, ST8SIA6, RUNX2 and VIM) are mostly specific for cancer detection, while the other 15, classified as a novel set, are already hypermethylated in the normal liver tissues. Two corresponding classifiers have been established, combination of which achieves a sensitivity of 94% with a specificity of 89% for the plasma samples from HCC patients (n = 36) and control subjects including cirrhosis patients (n = 17) and normal individuals (n = 38). Notably, all 15 alpha-fetoprotein-negative HCC patients were successfully identified. Comparison between matched plasma and tissue samples indicates that both the cancer and noncancerous tissues contribute to elevation of the methylation markers in plasma. MCTA-Seq will facilitate the development of ccfDNA methylation biomarkers and contribute to the improvement of cancer detection in a clinical setting.

来源: Nature Genetics 浏览次数:0

热门文章TOP

RSS订阅 - 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容: - 网站地图
网站联系电话:020-87540820 备案号:粤ICP备11050685号-8 增值电信业务经营许可证:粤B2-20120479
©2011-2015 生物帮 All rights reserved.