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科学家发现了数千种由乙烯气体激活的植物基因

大家都知道,一个烂苹果烂在一个桶里,另一个苹果烂在一个纸袋里。水果成熟或腐烂的方式已经为人所知几千年了,圣经可以证明这一点,但是现在隐藏在这些自然现象背后的基因已经被揭示了。

科学家发现了数千种由乙烯气体激活的植物基因

在在线期刊eLIFE上,由索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)研究人员领导的一个大型国际科学家小组追踪了一种植物的数千个基因,这些基因在乙烯(一种充当植物生长激素的气体)释放后就会被激活。

研究人员说,这项研究是首次对乙烯的生物触发器进行如此全面的基因组分析,可能会带来强大的实际应用。乙烯不仅有助于果实成熟,它还调节生长,帮助植物抵御病原体,以及其他各种功能。

梳理这些离散函数的特定基因,执行每个从发现许多基因被激活乙烯可能让科学家产生植物品种,在需要的时候放慢经济增长速度,加速或防止成熟,延缓腐烂或增强植物抗疾病,高级调查员说,约瑟夫·r·艾克尔索尔克的植物分子和细胞生物学实验室。

“现在我们知道乙烯最终激活的基因,我们将能够识别这些分支通路中涉及的关键基因和蛋白质,这可能有助于我们操纵这种激素调节的离散功能,”Ecker说。

据所有人说,破译乙烯激活的遗传途径需要巨大的努力——其中包括4个机构和19名研究人员,其中许多人通常从事人类生物学研究。例如,Ecker邀请了卡内基梅隆大学计算机科学家Ziv - joseph、多伦多大学转录专家Timothy Hughes以及加州大学圣地亚哥分校计算生物学家Trey Ideker和基因组学家Bing Ren的专家。

这项研究对埃克尔来说也是一个里程碑,他将自己的职业生涯奉献给了理解植物性乙烯所产生的能量。

“几十年来,我一直试图理解一种简单的气体——两个碳和四个氢——是如何对植物产生如此深远的影响的,”Ecker说。“现在我们可以看到,通过改变一种蛋白质的表达,乙烯会产生连锁的基因激活波,从而深刻地改变植物的生物学特性。”

他补充说,尽管他们研究的植物是拟南芥,与卷心菜和芥菜有关,乙烯在所有植物中都是一种关键的激素。

研究人员观察了在乙烯气体导致EIN3(一种控制基因表达的主转录因子)活化后拟南芥中发生的情况。EIN3是Ecker在1997年发现并克隆的。对乙烯气体的反应需要EIN3和相关蛋白EIL1;没有这些蛋白质,乙烯对植物没有影响。

“我们想知道乙烯实际上是如何工作的,”Ecker说。“一旦植物通过激活EIN3对乙烯产生反应,会发生什么?”什么基因被激活了?这些基因在做什么?”

研究人员使用一种名为ChIP-Seq的技术,将拟南芥暴露在乙烯中,并识别出与EIN3结合的所有植物基因组区域,这需要使用下一代测序技术。然后,他们使用全基因组mRNA测序来识别那些由于与EIN3相互作用而实际表达发生变化的靶向基因。“并非所有被EIN3靶向的基因的基因表达都发生了变化,”Ecker说。

他们发现植物中的数千个基因对EIN3有反应。然后研究人员发现了两件有趣的事情。首先,当EIN3被乙烯激活时,它会回到最初用来激活EIN3转录因子的通路中控制基因。艾克说:“这告诉我们,一家生产像EIN3这样关键主调节器的工厂,希望将生产途径保持在非常严格的控制之下。”“我们没有预料到这一点,现在这给了我们一个了解其他植物激素基因控制的策略。”

第二个发现是EIN3针对植物中所有其他激素信号通路。Ecker提供了一个类比来理解其中的原因:“假设你在一个录音棚里,你面前有一张桌子,上面有所有这些开关。如果你开始按一个声音效果的刻度盘,你可能会按下另一个声音的刻度盘。

他说:“如果乙烯告诉植物停止生长,它就必须控制其他激素,这些激素会告诉植物停止生长。”“我们发现,大约一半的EIN3蛋白的基因组靶点存在于其他激素信号通路中。”

埃克尔说,EIN3对这些激素的控制非常复杂,在24小时内完成,在此期间发生了四次级联转录调控。

除了深入了解乙烯在基因上如何控制植物体内的各种功能外,他还补充说,这项研究的发现为破译其他植物激素的工作方式提供了一个模板——这些激素都没有乙烯研究得那么透彻。

“学习如何协调植物激素反应是至关重要的增长和发展的了解他们的监管,是种子萌发,水果成熟,或应对干旱,昆虫,或病原体,”凯瑟琳说,论文的第一作者和研究人员在埃克的实验室。”这样,映射之间的互联激素通路可能影响农业。”

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