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科學家破解紅薯古老起源和馴化之謎
人類吃了快一萬年的天然轉基因作物紅薯﹐又名甘薯是重要的糧食作物﹐但它的起源始終是個謎﹐馴化過程也不清楚。這導致甘薯遺傳學﹑基因組學及育種等領域面臨困難﹐制約著甘薯品種的改良和近緣野生種的利用。
近日﹐來自中國﹑比利時和德國的科學家團隊在國際學術期刊《分子植物》(Molecular Plant)的發表研究論文﹐鑒定了甘薯的二倍體和四倍體祖先種﹐研究表明甘薯由兩個祖先種正反交﹐並經歷基因組加倍而來。在甘薯形成後﹐大約50%的區域發生了亞基因組間的基因交換。
近緣野生種具有較高的遺傳多樣性和抗性優勢﹐是作物改良的重要資源庫﹐可以通過雜交或基因編輯等手段﹐將祖先種的優異性狀基因導入作物中。此前﹐科學家經過數十年的努力﹐希望通過近緣野生種雜交的方式培育出人工雜交六倍體甘薯﹐但尚未取得理想的進展。其中最大的限制是甘薯的祖先種和起源方式尚不明確﹐因此無法人工模擬甘薯的形成。
前述最新發表的研究論文稱﹐甘薯的二倍體祖先種可能是二倍體赤道蕃薯﹐其四倍體祖先種是四倍體甘薯。通過比較甘薯和兩個祖先種群體間的遺傳多樣性﹐研究人員發現許多重要功能基因受到自然選擇和人工馴化選擇﹐這些功能基因包括塊根形成﹑基因組穩定性維持﹑生物學抗性﹑糖運輸﹑鉀吸收。研究人員對甘薯祖先種的鑒定和馴化機制的解析﹐有助於科學家理解祖先種形成甘薯的機制﹐使得我們有機會在實驗室裡重演這一過程﹐可以加速甘薯的育種和改良。
研究人員進一步解釋說﹐首先﹐這一研究成果根據多重遺傳學證據﹐鑒定了甘薯的二倍體﹑四倍體祖先﹐確定了甘薯的形成方式﹐這為人工雜交產生新的甘薯奠定了重要的理論基礎。其次﹐該研究發現了參與甘薯馴化過程的諸多基因﹐可以通過雜交﹑基因編輯等方式﹐利用這些基因資源進一步改良甘薯和其他塊根類作物。
對於該研究的創新性研究人員表示﹐甘薯是天然轉基因作物﹐其基因組內含有來自農桿菌的T-DNA序列。該研究巧妙地運用這些T-DNA序列作為分子標記﹐快速﹑準確地鑒定出了甘薯祖先種。其次﹐由於甘薯與其祖先種的關係非常緊密﹐常規的方法難以準確解析該研究提出了利用多倍體同源單倍型開展系統發育分析的新方法。該方法還有望應用於其他多倍體物種間親緣關係解析﹐輔助其他多倍體作物起源解析研究。
此外﹐研究人員突破傳統甘薯起源理論的思維限制﹐綜合多重遺傳學證據﹐提出了新的起源假說﹐合理解釋了甘薯亞基因組和母繫起源。
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