源之原味

利用遗传学做一个更完美的圣诞树

 

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利用遗传学做一个更完美的圣诞树

科学家们正在筛选从全世界数百棵圣诞树上采集的1200兆字节的基因数据, 以找出最好的针持者与最坏的人之间的区别。
詹姆斯. 波特/盖蒂图片社

今年, 在我生命中的第一次, 我将主持我的家庭假期。对于他们的不满, 我们将在没有圣诞树的情况下庆祝。不, 这不是针对圣诞工业联合体的原则性立场, 也不是圣诞节战争中的个人战线。我只是对室内常绿的者感兴趣, 当它的针头落在别人家里的时候。现在, 在仔细观察和浇水, 大多数冷杉, 云杉和松树可以保持他们的芳香绿色植物几个星期, 如果不是几个月。像我这样的人, 谁都不擅长这些东西, 需要一棵树, 可以保持它的针头-和它的尊严-没有一盎司的努力维护。

你说的太多了?大概十年前吧但随着今天的 计算生物学 工具, 你可能永远不会陷入一个悲伤的查理布朗标本再次。事实上, 在这个时刻, 科学家们正在筛选出1200兆字节的基因数据, 取自世界各地的数以百计的圣诞树, 来找出最好的针持者和最坏的人的区别。他们也在寻找遗传信号, 赋予抗破坏性的霉菌从属 Phytophtora, 希腊语为 "植物驱逐舰"。虽然一些杀菌剂可以降低其严重程度, 但根腐病仍然花费美国圣诞树产业每年数亿美元。

不像美国的 其他商业作物, 对于在圣诞树的基因组中发生的事情, 人们知之甚少。几个世纪以来, 种植者不得不依赖传统的方法选择和育种的可取性状。但很快, 多亏了一小部分科学家, 他们致力于解开针叶树的秘密, 他们将能够利用遗传学来制造更完美的圣诞树。一个也许我会想要在我的公寓。

Treehunters

自从1978年以来, 加里. Chastagner 在圣诞树种植园、弹出式零售店以及全国各地的大卖场进行了侦察。在每一个站, 植物病理学家擦洗库存, 找到最漂亮的树在整个地方。然后, 他拍照, 询问销售人员, 剪去小树枝, 他的重量与便携秤之前, airfreighting 他们回到皮阿拉普, 在他的测试 华盛顿州立大学实验室

在过去的日子里, 这意味着有一个研究生的军队在每个分支标记一个2英寸的部分, 并计算在该地区的每针或针疤痕。今天, Chastagner 的团队挂在机架或电线绳串在一个温度控制的混凝土水箱, 他们在那里休息没有水七至10天。然后, 一些训练有素的技术员轻轻地揉每一个分支和率的针保持在一个规模 (1% 针脱落) 到七 (91 至100% 的损失)。

Chastagner 只对频谱两边的极端感兴趣。多年来, 他采取的任何切割的速率为0到 1, 或六至七, 并嫁接到砧木, 他的实验室管理在皮阿拉普的15英亩的小块。这一过程将每一个外围的标本转换成一个孤立的基因相同的树, 保存它们独特的 DNA 在所谓的克隆保持块。

现在, 这些树是一个巨大的努力的一部分, 以确定微小的遗传变异, 决定为什么有些树比其他更好。五年前, Chastagner 和他在北卡罗来纳州立大学的研究伙伴从美国农业部获得了130万美元的资金, 这是美国历史上最大的圣诞树补助金--使用 RNA 将 DNA 转化为蛋白质, 以此来找出基因在有价值的树上被打开或关闭。在一个多月的时间里, 他们最终会得到这些答案。

常绿基因

这就是 Wegrzyn, 康涅狄格州大学的计算生物学家, 预计它将采取分析所有的测序数据-五年的价值, 收集由 Chastagner 和他的合作者在北卡州, 约翰弗兰普顿。Wegrzyn 说: "我们有我们正在研究的基因列表, 看看它们是否正在上升或 downregulated。"现在我们将它们连接在一起, 看看它们是如何形成不同的网络和基因表达途径的。这是不是超级容易针叶树。

这是因为针叶树基因组不只是 enormous—20十亿碱基对相比, 你的 30亿-但也相当怪异。在过去的某个时候, 云杉、松树、冷杉和他们的亲属获得了完整的第二套基因。科学家认为, 这种基因组范围内的重复可能有助于将这些物种塑造成世界上最高的、顽强的植物。但它也使他们的排序是一个令人难以置信的艰巨的挑战。不像玉米和大豆, 没有多少钱可以尝试。到目前为止, 科学家们已经成功地将部分 DNA 蓝图放在一小部分针叶树上, 而不包括最受欢迎的圣诞树物种。

Chastagner 不追求任何宏伟的东西。他关心的是在一个特殊的细胞层中发生了什么, 就在针与树枝相遇的地方。基因表达控制着这些细胞是否打开, 导致树释放它的针头。因此, 他的团队将这些细胞从数百个分支中取出, 在10、20和30天后收获。然后, 他们冻结在液氮的组织, 并送他们到北卡罗莱纳州提取 RNA 测序。

每个样本都像是一个快照, 所有的基因被打开和关闭, 因为针头丢失。Chastagner 的同事们在北卡州送来了取自树木根部的样本, 以观察不同树种的基因表达如何因真菌感染而改变。现在, 这是 Wegrzyn 的工作, 以排序通过他们都寻找基因签名, 对应于针保留和 phytophtora 的阻力。

在所有这一切的最后, 目标是寻找一个分子生物标志物来保持针头。这样, 圣诞树种植者就能更快地将强壮的、坚忍的人和其他的树分离出来。需要一两年的时间才能在苗圃中培育出一个可行的幼苗, 再用六到八, 然后你才能判断它是否是好的, 如果它能在猖獗的根腐病中存活下来。有了生物标记, 种植者可以更早地进行测试, 只种植树, 以保持他们的针头收获后。它可以帮助育种者从更多的外来物种中杂交到更传统的美国。

This doesn’t mean Christmas trees are going GMHo-ho-ho anytime soon, though. Attempts to genetically engineer designer trees—for super fragrance, or bioluminescence, say—have never really gotten off the ground. And even with new work into conifer genetics, there’s still not enough knowledge to make the trees good candidates for today’s newer gene editing technologies. “The potential for genetic improvement in these species is huge,” says Chastagner. “But the reality is that the application of those improvements using genetic engineering will be hampered by their complexity—that just slows everything down.”

So it may be a while before I can buy the perfect, vacuum-free Christmas tree. On the other hand, it might take me that long to convince my family to let me host another holiday.

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