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2024-03-05 01:48:58
人類の人口が爆発的に増加するにつれ、効率的な作物栽培のニーズも拡大しています。 大きな進歩があった一方で、 植物遺伝学 そして 修正、果物の成長などの作物の形質が植物種間でどのように制御されるかを理解するには、まだ学ばなければならないことがたくさんあります。
研究チームは、 コールドスプリングハーバー研究所、 によって導かれて ザカリー・リップマン博士は、同じ遺伝子 CLAVATA3 (CLV3) の多様な制御システムを特定しました。 1億2500万年以上保存されてきたこの遺伝子は、トマトとシロイヌナズナでは異なる方法で制御されている。
この作品は新聞「」に掲載されました。深く保存された植物幹細胞調節因子を制御するシス調節領域の極端な再構築” で PLOSジェネティクス。
「驚くべき矛盾は、長期間にわたって保存されたタンパク質配列、機能、および発現パターンを持つ遺伝子が、しばしば非常に異なるシス制御配列を示すことです。 種を超えたこのような劇的なシス制御の進化がどのようにして遺伝子機能の保存を可能にするのか、そしてこれらの違いが種内で生じるシス制御の変異が表現型の変化にどのように影響するのかは依然として不明である」と科学者らは書いている。
「ここでは、約1億2,500万年にわたって発現パターンと機能が保存されている植物幹細胞調節因子を使用して、これらの疑問を調査しました。 2 つの遠縁のモデルで in vivo ゲノム編集を使用する、 シロイヌナズナ （シロイヌナズナ）および ナストマト （トマト）では、幹細胞リプレッサー遺伝子CLAVATA3（CLV3）の上流および下流領域に70を超える欠失対立遺伝子を生成し、共通の表現型である果実を作る心皮の数に対するそれらの個別の影響と組み合わせた影響を比較しました。
「トマト CLV3 の上流の配列は、その下流領域と比較して、小さな摂動に対しても非常に敏感であることがわかりました。 対照的に、シロイヌナズナの CLV3 機能は、コード配列の上流と下流の両方での深刻な破壊に対して耐性があります。 上流と下流の削除を組み合わせると、異なる規制結果も明らかになりました。 下流変異の追加による表現型の強化はトマトでは主に弱く相加的であったが、シロイヌナズナ CLV3 の両方の領域を変異させると実質的かつ相乗効果が生じ、機能的シス制御配列の明確な分布と重複が実証された。
「我々の結果は、深く保存された植物幹細胞調節因子のシス調節構造組織における顕著な順応性を示しており、シス調節配列空間の主要な再構成が、保存された植物幹細胞調節因子の調節変異から遺伝子型と表現型の関係を変える一般的だが謎めいた進化の力であることを示唆している」遺伝子。 最後に、我々の発見は、作物に保存された生産性遺伝子から形質変異を効果的に操作するために、シス調節の空間構造を系統特異的に分析する必要性を強調している」と科学者らは書いている。
遺伝子機能を研究するために突然変異体を作成する
両方の種でゲノム編集を使用して、研究者らは 70 を超える突然変異植物を作成しました。 彼らは、CLV3 の上流および下流の調節領域を調査し、この高度に保存された遺伝子の発現に対するこれらの領域の影響を調べました。 「CLV3は植物の正常な発育を助けます。 ちょうどそのタイミングでスイッチがオンになっていなかったら、植物の様子は大きく異なっていたでしょう。 すべての果実は巨大で理想的ではないでしょう」と、この研究の筆頭著者で最近博士号を取得したダニエル・シレン博士は述べた。
CLV3 遺伝子の変異は、トマト (上の列) やシロイヌナズナ (下の列) に見られるように、果実の大きさを劇的に増大させる可能性があります。
トマトでは、CLV3の最初の調節領域の改変が果実の大きさに大きな影響を与えたが、シロイヌナズナは上流と下流の両方の標的が破壊された場合にのみ大きく成長した。 これは、約 1 億 2,500 万年前のこれらの植物の進化の分岐時に、これらの規制の変更を推進する何らかの力があったことを示唆しています。
「共通の祖先に戻ることはできません。なぜなら、それらはもう存在しないからです。 したがって、元の状態が何だったのか、物事がどのように混同されたのかを言うのは難しいです」とサイレン氏は言いました。 「最も単純な説明は、ある程度保存されている規制要素があり、それが微妙な方法で変更されているということです。 それは少し予想外です。」
作物の成長に関しては、遺伝子をオンまたはオフにするだけの単純な答えはありません。 作物の成長を持続可能にするためには、タイミングがすべてであり、果実の大きさと予想収量を考慮することが重要です。 「成長と収量のバランスを取る必要があります。 植物に巨大なトマトが 2 つしかない場合、それは収量が低いのと同じくらい有益でしょうか? 簡単な解決策はありません。 何かを改善しようとすると、常に何かを犠牲にすることになります」とサイレンは結論付けました。
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