不寻常的大豆着色揭示了基因沉默

今天的大豆通常是金黄色的,带有微小的黑色标记,它们附着在豆荚上。在数百万豆类的领域,几乎所有豆类都具有这种外观。然而,偶尔豆子会变成半黑色,马鞍图案类似于黑眼豆。

“黄色来源于一种称为基因沉默的自然过程,其中基因相互作用以关闭某些特征,”伊利诺伊大学作物科学系的新任教授Lila Vodkin解释道。“科学家经常利用这个过程设计从改良作物到药物的所有东西,但天然存在的基因沉默的例子 - 也称为RNA干扰或RNAi - 是有限的。更好地理解这个过程可以解释你怎么做操纵从大豆到人类的任何基因。“

大约20年前发现RNAi途径是一种微小蛔虫的自然发生过程。显示其生物医学潜力的发现和后续工作为科学家赢得了2006年的诺贝尔奖。在植物中,RNAi在矮牵牛中被发现。当育种者试图将一个基因转化为更亮的粉红色和紫色时,它们会变成白色的花朵。花色的基因已被沉默。

“在它们被驯化之前,由于种皮中的花青素颜料不同,大豆呈黑色或棕色,”与沃德金一起研究的研究专家萨拉琼斯说。“育种者摆脱了黑暗的色素,因为它们可以在提取过程中褪色油或豆粕。”

沃德金澄清说:“黄色是一种自然发生的RNAi突变,可能是在农业开始时自发发生的,就像一万年前一样。人们看到黄豆是不同的。他们捡起它们,拯救它们,并培育它们。野生大豆,大豆(Glycine sojae)的种质资源,你没有找到黄色,只有深色的种子。“

该团队以前的工作表明黄色大豆是由一个涉及两个基因的天然基因沉默过程引起的。基本上,其中一个基因阻止了深色素前体的产生。但是研究人员并不确定为什么黑色颜料有时会再次出现,就像马鞍形状的豆子一样。现在他们知道了。

Vodkin和她的团队在美国农业部大豆种质收集中搜寻了具有异常色素沉着的豆类,该收集品位于U的I中。该系列包含数千个标本,代表了驯化大豆及其野生近缘种的大部分遗传多样性。

“我们要求这种黑色马鞍形状的豆子,”琼斯回忆道。“我们想知道他们是否都从同一基因中获得了这种模式。” 早在1945年就收集了一些样品。

该团队使用现代基因组测序技术,快速筛选约56,000个蛋白质编码基因,以确定负责该模式的基因。主要作者Young Cho在注意到Argonaute5基因缺陷时作为研究生发现了这一发现。研究小组用马鞍观察了另外的豆子,发现Argonaute5基因在每个豆子中都有不同的缺陷。

“这就是你如何证明你发现了正确的基因,”沃德金说,“因为这些独立的突变发生在同一基因的不同位置。”

当Argonaute5基因有缺陷时,无法再进行沉默过程 - 通常会阻止暗色素并导致黄豆。基因缺陷解释了为什么暗色素出现在马鞍豆中。

在团队发现之前,很少有关于基因相互作用如何在自然发生的系统中实现沉默的例子。今天,生物工程师使用基因工程技术来沉默基因以产生期望的结果,无论是花色,抗病性,改善的光合作用,还是任何数量的新应用。

“大豆中的黄色可能是经过精心设计的,如果它不是天然存在的话,”沃德金说,“但这将花费数百万美元,而且每种黄豆都是转基因生物。大自然首先设计它。” 她说这项研究还强调了大豆种质收集的价值,这种收集保留了研究和育种目的的多样性。