科學家發現4億年前隱藏在植物中的古老DNA“鑰匙”

即使這些物種在數億年前就已經分化，不同物種的基因及其功能通常仍然非常相似。這種模式出現在植物和動物身上。然而，同樣的一致性似乎也不適用於控制基因開啟或關閉的 DNA。科學家一直在努力確定這種被稱為調控 DNA 的 DNA 在植物中是否在漫長的進化過程中保持保守。多年來，一些研究人員認為植物中可能根本不存在這種保護。新的發現表明事實並非如此。

植物中古代調控 DNA 的發現

研究發表於 科學 冷泉港實驗室 (CSHL) 和世界各地的合作者已鑑定出超過 230 萬個調控 DNA 序列，這些序列在 284 個物種的 314 個植物基因組中保持保守。這些序列被稱為保守的非編碼序列（CNS）。該團隊使用一種名為“新計算工具”的新計算工具確定了他們的位置 溫室它是由希伯來大學 Idan Evroni 實驗室、劍橋大學 Sainsbury 實驗室的 Madeleine Bartlett 實驗室和 CSHL 的 Zachary Lipman 實驗室合作開發的。

其中一些中樞神經系統似乎非常古老。研究人員發現證據表明，4億多年前，在開花植物與其不開花的祖先分化之前，某些序列就出現了。

數百種植物基因組的比較

科學家是如何發現這麼多以前隱藏的調控序列的呢？

研究人員專注於在很小的範圍內檢查基因簇的組織和組成。透過比較這些基因簇在數百個植物基因組中的排列方式，並追蹤它們從祖先物種到現代植物的模式，他們能夠發現以前方法遺漏的保守元素。

CSHL 博士後研究員、該研究的共同第一作者 Anat Hendelman 表示，研究小組對有多少調控序列未被注意到感到驚訝。 「破解和基因編輯這些中樞神經系統證實它們對於發育功能至關重要，」欣德爾曼說。

植物調控DNA演化的三個基本規則

該研究還揭示了三種重要的模式，有助於解釋植物基因組中的中樞神經系統如何演化。

首先，雖然這些序列之間的物理間距可以改變，但它們沿著染色體的排列往往保持不變。其次，當植物基因組在演化過程中重新排列時，中樞神經系統可能會與不同的基因連結。第三，古代中樞神經系統通常在基因複製後仍然存在，這是植物基因組和基因家族演化的主要驅動力。

「這實際上是無法使用與動物相同的方法來檢測中樞神經系統的原因之一，」利普曼解釋道。 “不僅僅是中樞神經系統使用這種創新方法。我們發現新的調控序列通常來自古老的中樞神經系統，這些序列在基因複製後經過修飾。這有助於解釋新的調控元件是如何出現的。”

新的植物生物學和作物科學圖集

該溫室計畫創建了研究人員所描述的「植物監管保護綜合圖集，包括數十種作物物種及其野生祖先。」植物生物學家，例如 CSHL 合作者 David Jackson，現在可以利用這一資源來探索調控 DNA 在植物進化過程中如何維持和重塑。

研究結果對於試圖解決乾旱和糧食短缺等挑戰的農作物育種者來說可能具有特別價值。然而，這項發現的重要性不僅限於農業。正如利普曼所說：“這是了解生命歷代進化的新窗口，也是更有效地設計或改善作物性狀的新機會。”