納米孔測序聯合光學測繪揭示轉基因植物細節

　　索爾克的研究人員利用最新的DNA測序技術，在分子水平上研究植物插入新基因后會發生什么。

　　索爾克的研究人員繪制了具有最高分辨率的轉基因植物系基因組和表觀基因組圖，為了精確地揭示插入一段外源DNA后，在分子水平上會發生什么。他們的研究結果發表在2019年1月15日的PLOS Genetics，闡明了用于修飾植物的常規方法，并為更有效地減少潛在的非目標效應提供了新思路。

　　“這真是一個起點，表明利用最新的繪圖和測序技術來研究插入基因后的植物基因組有何變化，”霍華德醫學研究所研究員、索爾克植物分子和細胞生物學實驗室教授、基因組分析主管Joseph Ecker說。

　　為了基礎研究或促進糧食作物健康和營養，當科學家想把一個新基因插入植物中時，他們通常依靠農桿菌來完成這項任務。農桿菌是引起冠癭瘤的細菌。早在幾十年前，科學家們發現了一顆感染細菌的樹，細菌將它的一些DNA轉移到了樹的基因組中。從那時起，研究人員就開始利用農桿菌的這種轉移能力（轉移DNA，T-DNA）將所需基因轉移到植物中。

　　最近，DNA測序技術暗示，當農桿菌T-DNA被用于植物轉基因時，它可能會對本地DNA的結構和化學性質造成額外的改變。

　　“生物技術公司花費了大量的時間和精力來描述轉基因植物的特征，忽視哪些有不必要的改變的候選者——從生物學的基本觀點來看——這些改變為啥會發生？”Ecker說。“我們的新方法提供了 一種更好地了解這些影響的窗口，并有助于加快（育種）進程。”

　　“最大的未知是T-DNA以多少拷貝插入，是否如你所愿，”前索爾克研究助理，現在在拜耳作物科學公司工作的Florian Jupe說。

　　由于T-DNA可以將所需基因的許多拷貝整合到植物中，而大多數技術都難以對高重復片段進行測序，因此很難用標準的DNA測序來研究最終結果。但是，Ecker和同事們轉向了一種新的組合方法——光學測繪和納米孔測序——來觀察高分辨率的長拉伸。他們將這項技術應用于擬南芥的四個隨機選擇T-DNA系，這些植物源于大量的T-DNA插入突變體，這些突變體通常是以擬南芥轉化法（或稱花器浸蘸法）來研究基因功能而產生的。

　　光學測繪顯示，這些植物的基因組中有1到7個不同的插入或重排，相差尺寸最高可達10倍。納米孔測序和兩系基因組重構證實了單堿基分辨率的插入，包括在所選系的染色體之間交換或易位的整個DNA片段。基因插入本身表現出多種模式，插入的DNA片段有時會混亂，倒置甚至沉默。

　　“這項研究在一年前還是不可能的，”文章共同一作Todd Michael說。“納米孔測序被有些人稱作DNA測序的‘圣杯’，它已經徹底改變了基因組中最復雜區域的解讀，這些區域直到現在都是完全不可接近或未知的。”

　　最后，當研究人員檢查遺傳物質壓縮包——組蛋白時，他們發現了額外的變化。組蛋白將DNA包裝成結構單元，組蛋白修飾介導了一個基因是否可以被細胞利用（屬于一種被稱為表觀遺傳學的調節水平）。根據T-DNA整合的位置，其附近的某些組蛋白修飾出現或消失了，話句話說，這可能改變附近其他基因的調節或激活。

　　“現在我們對T-DNA插入如何塑造局部表觀基因組環境有了第一手高分辨率的資料，”文章共同作者 Mark Zander說。研究人員說，在一個理想的世界里，T-DNA會插入一個單一的、功能性的所需基因拷貝，而不會對植物基因組產生任何副作用。研究結果表明，在擬南芥中反而很少出現這種理想情況。該方法為更好地理解和監測異樣影響提供了一條途徑。

　　“擬南芥實際相對比較容易，因為它們的基因組如此之小。隨著DNA測序技術不斷改進，我們預計這種方法對其他作物也是可行的，”Ecker補充道。“目前為了找到性能良好的株系，我們需要篩選數百個轉基因株，有了這項技術，將提供一種更有效的方法。”