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2016年第10期(发布时间: Dec 7, 2016 发布者:丁倩)  下载: 2016年第10期.doc       全选  导出
1   2016-12-06 16:49:17.58 关闭植物遮阳盾能使作物变得更大 (点击量:24)

植物能进行光合作用并不意味着它们就不会被晒伤。所有的植物都依靠一种通过将光子转换成无害热度以抵御阳光过亮的机制。但正如某些人在室内会缓慢摘下墨镜一样,当阴影掠过树叶时,这种植物遮阳盾也会缓慢关闭。结果是光合作用受到抑制。

通过基因工程技术,科学家们提升了烟草的光合作用效率。他们成功培育出一类比普通烟草大20%的品种——茎干更高、叶子更大且根部更粗。这是首项显著提升植物光合作用效率的研究。根据该项技术改进的植物可以满足联合国项目的需求——在未来的20年里实现食物产量增长70%。

植物利用光合作用将阳光和二氧化碳转换为能量及碳水化合物。然而在亮光下,植物会自动除去多余的光子。当天气转阴,它们会缓慢重启光合作用。这个过程就是科学家们尝试提升效率的目标。研究人员复制了负责转换的基因,并缩短了所谓的“光合作用恢复时间”,以使植物可以更好地利用光照。

根据Science杂志报道,该团队已经成功将基因植入了大米及玉米,并可能发现进一步提升植物对光照条件变化反应的速度。

伊利诺伊大学领导该项目的Stephen Long教授表示,我们无法100%确信这项技术对于其他作物也有效。但因为我们实验的对象是一个所有作物都有的过程(光合作用),我们相信它会有效的。他认为通过基因工程,“最终产量可以提升50%”。该技术可以制造第二次“绿色革命”。

另一个被称为“C4大米联合”的研究组也一直在尝试改变光合作用效率,以提高大米及小麦50%的产量,并使用更少的水及肥料。

2   2016-11-10 15:23:21.02 “会思考的细菌土壤”有助于防止建筑物倒塌 (点击量:25)

建筑物地面下陷付出的代价极高,甚至是灾难性的。但如果英国的科学家能成功,基因工程微生物某一天或将防止其发生。

受到大学生们在合成生物竞赛中制作的混凝土修复细菌“BacillaFilla”的启发,一名生物设计师与同事致力于生物水泥的研发,这种物质由定制土壤微生物制成,以应对土壤中变化的压力,从而加固地基。

为了实现这一目标,该团队在代替土壤(圆筒状的水凝胶)中培养了一种常见的肠道细菌。他们将负载细菌的水凝胶置于10倍海平面气压的环境下,确定了由压力变化而使其活性增加至少3倍的122个细菌基因。该团队随后修饰了细菌基因组,使负责激活这些基因的调控DNA固定在一个生产时会发热的蛋白基因上。微生物受到的压力越大,发热就越强。最终,研究人员计划用制作生物水泥的基因替代发热的蛋白基因,建造了“会思考的土壤”,使其成为能自我构建的地基,保持建筑物的安全。

3   2016-12-05 17:46:52.343 5000岁的玉米棒子揭示玉米的驯化过程 (点击量:20)

墨西哥类蜀黍是玉米的祖先,用这种植物做饭可不是件容易事。因为每根棒子比小拇指还短,且仅有约12个谷粒隐藏在坚硬的鞘中。然而距今约9000年前,在墨西哥和美国西南部的人们将墨西哥类蜀黍改造成为今天能养活世界亿万人口的多粒玉米,这一切展示了驯化的力量。

研究人员已经确定了几个与上述转化有关的基因。今天,两个独立的研究团队对古DNA展开研究,揭示了这些植物的基因在约5000年前的中期驯化中发生了什么。该研究揭示了遗传如何随时间发生改变,一代又一代的人如何根据其偏爱性状选择植物。

上世纪60年代人们首次开始研究玉米的驯化,当时美国考古学家Richard MacNeish挖掘了墨西哥提瓦坎谷地的洞穴。在干燥黑暗的环境中,他发现了距今约5300年前、保存完好、微小的玉米棒子。每个棒子仅有50个谷粒,而现代的玉米棒子有1000个谷粒。

约60年后,伴随着现代测序工具的问世,遗传学家Jean Philippe Vielle-Calzada和同事,试图找出古代驯化者无意中选择了哪些基因。因为担心MacNeish的标本受到操作或保存不当的破坏,Vielle-Calzada研究团队重回提瓦坎谷地的洞穴。

研究团队在圣马科斯洞穴发现了距今5000年前的新样本。他们对3根玉米棒子使用鸟枪法测序,提取了DNA,并将其分割为小片段进行测序。计算机软件随后将这些DNA片段重组起来,重建了超过35%的古玉米基因组。

Vielle-Calzada团队确定了8个影响关键性状的基因。这些玉米棒子携带了tb1和bt2的现代变体。但是这些玉米棒子还携带tga1的墨西哥类蜀黍变体,这表明只是部分驯化。

与此同时,考古学家Nathan Wales和同事发现了MacNeish的原始样本。他们用鸟枪法对这个5300岁的名为Tehuacan162的玉米棒子的基因组进行了测序研究。

Wales团队能够对这根玉米棒子21%的基因组进行测序。结果证实并补充了Vielle-Calzada团队的发现。这个来自博物馆的玉米棒子同样携带了td1和bt2的现代变体。但是Tehuacan162还携带了tga1基因的更现代变体。Wales团队还发现一个墨西哥类蜀黍基因——zagl1。研究人员表示,这些差异可能反映了Tehuacan162来自不同的玉米种群,表明驯化仍在山谷中进行。

4   2016-12-07 09:28:23.137 基因编辑器CRISPR让突变小鼠触手可得 (点击量:20)

JAX实验室利用基因工程技术改造小鼠,以JAXR Mice为注册商标,并将其出售给研究人员。它喜欢这样自夸:这是全世界质量最好和发表次数最多的小鼠模型。为该实验室评估和研发新技术的Michael Wiles相信,这个由细菌和古生菌用于保护自身免受病毒侵袭的免疫策略巧妙改编而来的新工具将使JAX改造小鼠的方式发生革命性变化。

长久以来,JAX和其他培育新的小鼠品系的实验室依赖于一个辛苦费力的多步骤过程,其中涉及利用基因工程技术改变小鼠的胚胎干细胞,将其注射进胚胎,并且培育若干代小鼠。即便是JAX最好的团队,也需要用2年时间才能成功改造一只小鼠。CRISPR利用一种可在受精卵上开展针对性基因手术的分子复合物替代了所有这一切。它能在6个月内产生一种被改造的小鼠。

“当你在以前培育基因敲除小鼠时,需要具备一些技能。”来自麻省理工学院的Rudolf Jaenisch表示,“现在,你不再需要这些技能。任何傻瓜都能做。”

研究人员不再需要改造胚胎干细胞并不辞辛苦地培育若干代小鼠,以产生卵子或精子细胞中携带基因突变的小鼠。同时,研究人员若想培育拥有两个突变的小鼠,也不再需要将单突变体杂交并经历一个类似的耗时且烦琐的流程,以获得拥有被改变生殖细胞系的小鼠后代。

加拿大多伦多大学生物化学家Tak Mak认为,此项技术真正改变了获得这些被改造动物的时间和效率。据他估测,和利用胚胎干细胞相比,利用CRISPR改造小鼠的花费要便宜30%左右,从而使他的平均成本大大降低。

CRISPR革命不只限于培育拥有生殖细胞系突变的小鼠。CRISPR还允许研究人员同时使若干疑似癌症基因在成年小鼠体细胞中发生突变。与此同时,CRISPR敲入可修正成年小鼠体内引发疾病的基因缺陷。若干研究小组计划将CRISPR注射进正在发育的小鼠体内,目标则是创建可发挥条形码作用的突变并且使科学家得以追踪细胞分化时的细胞谱系。

不过,从某个方面来说,CRISPR革命步履蹒跚。在Jaenisch实验室首次报告CRISPR的3个月后,他和同事提出,CRISPR可轻易实施更加复杂的基因手术,即敲入DNA片段而非简单地令基因丧失功能。作为示范,他们利用CRISPR将荧光标记敲入小鼠受精卵。当特定基因被开启时,荧光标记便会亮起。研究人员还创建了对很多研究来说至关重要的条件突变体。

约1/3的小鼠基因对于胚胎发育是必不可少的。如果这些基因从一开始就丧失功能,小鼠便不会诞生。因此,利用胚胎干细胞开展研究的科学家巧妙地设计出一种被称为Cre-Lox 重组的系统。该系统仅在小鼠发育到足以在失去上述基因仍能存活下来后才会将基因敲除。这需要添加额外的DNA:位于靶基因两侧的Lox序列和一个Cre基因。其中,Cre基因可被启动,以产生一种酶,用于修改Lox位点之间的DNA。Jaenisch团队利用CRISPR将同一系统插入受精卵,并且报告称以相对较高的效率培育出条件小鼠——约16%的受精卵产生了拥有正确突变的小鼠幼崽。但在JAX实验室,产生拥有正确突变的小鼠幼崽的受精卵仅占1%或2%。同时,很多项目正走向失败。很明显,它并未被证实为一种稳健的方法。”

无论目前CRISPR看上去有何种缺点,Wiles强调说,它在改造小鼠方面的潜力不应当被忽视。“CRISPR能做的事情有很多,而我们才刚刚开始入门。”

5   2016-11-10 11:34:12.497 黑猩猩和倭黑猩猩曾跨物种交配并交换基因 (点击量:22)

新研究表明,在猿类开始进化出各自特征的200万年中,黑猩猩和倭黑猩猩至少跨物种交配了两次。虽然尚不清楚所获得的基因最终是有益的还是有害的,但这一发现加强了跨物种交配在猿类进化中发挥重要作用的观点。

倭黑猩猩(Pan paniscus)居住在刚果(金),穿过刚果河就居住着它们的近亲黑猩猩(P. troglodytes)。黑猩猩遍布非洲西部和中部,体型更大,是一个以雄性主导的群体。由于森林砍伐和狩猎造成猿类种群萎缩。黑猩猩现以分散的小群体为生,之间已经有明显差异,可以分为四个亚种:西部、东部、中部和不常见的尼日利亚喀麦隆黑猩猩。1930年以前,倭黑猩猩被认为是黑猩猩的一个亚种,但研究人员根据体质差异认为,这些小体型猿的独特性足以自成一类物种。

尽管经典观点认为物种不能成功地跨种交配,但倭黑猩猩和黑猩猩间却可以。哥本哈根动物园保护遗传学家Christina Hvilsom和她的同事检测了来自10个非洲国家的75个黑猩猩和倭黑猩猩的完整基因组,并证实这一点。为保护动物,他们比较了尽可能多的猿类基因组。探寻遗传差异有助于确定被截获没收猩猩的地理起源,以识别非法狩猎的发生地。不过,Hvilsom对2010年在人类基因组中发现尼安德特人的DNA也感到好奇,她想看看人类的近亲是否也会跨物种交配。

用发现人类有混交的检测方法,Hvilsom和同事鉴定出中部黑猩猩1%的基因组是倭黑猩猩的DNA。遗传分析表明,近亲交配发生在两个时间段:150万年前,倭黑猩猩的祖先和东部及中部黑猩猩的祖先混交;20万年前,中部黑猩猩获得了倭黑猩猩的基因。相比之下,西部黑猩猩亚种没有倭黑猩猩的DNA,这表明只有生活在靠近刚果河的黑猩猩有与倭黑猩猩混交。黑猩猩有倭黑猩猩DNA的痕迹表明,两个物种的融合是个挑战。因为这两个物种都不喜欢游泳,所以刚果河是一个主要障碍。

紧跟这一发现的将会是能显示物种之间基因流的其它基因组分析,诸如狗与狼。深入研究基因组将会有更多发现,科学家们预测物种间的基因交流将是普遍现象。

6   2016-12-07 11:56:24.433 从海水中收集的DNA可能携带鲸鲨的秘密 (点击量:22)

通过漂浮在海洋中脱落细胞的DNA,科学家已能确定世界上最大最神秘动物之一的鲸鲨的种群规模及遗传特性。这项工作标志着研究人员第一次能够利用所谓的环境DNA(eDNA)估测一种水生物种的遗传特征,这种技术能够帮助科学家无需下水,就能研究一系列海洋动物的种群及健康情况。

这项研究的源头可以追溯到2007年的一个夏日,当时一名工人在位于卡塔尔沿岸的马士基石油公司埃尔沙辛油田钻井平台上看到了惊人的一幕:一群约100头鲸鲨在附近的海面上进食。科学家之前从未预料到这种体积如校车般世界上最大的鱼类会频繁出现在这一海域,该油田很快便成为了研究这种濒危物种的热门地。

由于鲸鲨经常远离海岸很难被定位,生物学家Eva Egelyng Sigsgaard和她的团队采集了包含有鲸鲨与其他海洋动物自然脱落的皮肤细胞的海水。研究人员从中分离了这些细胞,提取出DNA并进行了测序,然后基于某些基因组的存在,用软件确定了一些鲸鲨DNA。Sigsgaard团队还发现,这些细胞可作为近期鱼类活动的优良指示器。因为紫外线和微生物只需要几天便能够把鲸鲨的环境DNA分解为无法探测的小片段,而他们的样本可能追踪到最近路过的鲸鲨。

研究人员随后利用DNA估测了具有繁殖能力的雌鲸鲨的数量——大约71000头。鲸鲨似乎在基因上分为两组,而这一估算反映的是印度-太平洋组中雌性鲸鲨的数量。这一数值与实际组织样本估算出的结果大体一致。

在另一项相关研究中,科学家指出,在格陵兰海域采集的eDNA揭示出哪些鱼类通常最有可能被深海拖网捕捞,而这一发现将革命性地改变海洋物种的研究方式。因为与拖网穿过海底收集组织样本的方式相比,使用eDNA更廉价、更容易。