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這項(xiàng)合作研究探討了鮮為人知的玉米（又名玉米）和其他谷物農(nóng)作物衰老過程的遺傳結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)表在《植物細(xì)胞》（The Plant Cell）上，這是植物科學(xué)方面同行評議最熱門的科學(xué)期刊之一。植物遺傳學(xué)家，科學(xué)學(xué)院遺傳與生物化學(xué)系助理教授Rajan Sekhon是該論文的主要作者和相應(yīng)作者，該論文名為“整合的基因組規(guī)模分析確定了玉米衰老的新基因和網(wǎng)絡(luò)”。

Sekhon說：“衰老意味著'細(xì)胞或器官在它所屬于的有機(jī)體手中死亡。” “它幾乎發(fā)生在任何地方，甚至在動物中也是如此。我們殺死了我們不需要的細(xì)胞。當(dāng)秋天的天氣變化時，我們在樹上留下了漂亮的秋天顏色。在秋天開始時，植物意識到它們不能維持葉子，它們殺死葉子。這完全與能源經(jīng)濟(jì)有關(guān)。”

結(jié)果，葉子在變色后消失了。從葉片清除的能量存儲在植物的樹干或根中，并在明年春天用于快速繁殖葉片。這對于樹木來說是很有意義的。但是對于其他一些可食用植物，尤其是谷物作物，如玉米，水稻和小麥，情況卻大不相同。

Sekhon說：“這些農(nóng)作物的播種非常謹(jǐn)慎，農(nóng)民以化肥的形式提供了過量的養(yǎng)分。” “葉片可以通過光合作用而不是過早地死亡，而是繼續(xù)通過光合作用來制造食物。了解玉米等農(nóng)作物衰老的誘因意味著科學(xué)家可以以有益于饑餓世界的方式改變植物。”

Sekhon的研究生涯橫跨分子遺傳學(xué)，基因組學(xué)，表觀遺傳學(xué)和植物育種，他于2014年成立了他的實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任助理教授。在玉米研究界廣泛使用的“基因圖譜”的開發(fā)中，他發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他在頂級同行評審期刊上發(fā)表了幾篇論文，研究復(fù)雜植物性狀的調(diào)控。

Sekhon說：“如果我們可以減緩衰老，這可以使植物在更長的時間內(nèi)保持綠色或不衰老。” “植物育種者一直在選擇衰老較晚的植物，而沒有完全了解衰老在分子水平上的作用。”

這些被稱為“常綠”的植物名不虛傳。面對干旱和高溫等植物壓力大的環(huán)境因素，它們可以保持綠色的時間更長，產(chǎn)量更高，并且更有韌性。

但是，即使存在保持綠色的植物，對衰老的分子，生理和生化基礎(chǔ)仍然知之甚少。衰老是一個復(fù)雜的性狀，受多種內(nèi)部和外部因素影響，并受許多共同起作用的基因的調(diào)控。因此，現(xiàn)成的遺傳方法無法完全闡明這一神秘過程。Sekhon和他的同事的突破是系統(tǒng)遺傳學(xué)方法的結(jié)果。

Sekhon和其他研究人員研究了玉米中保持綠色性狀的自然遺傳變異。太平洋在線. 該過程涉及種植400種不同的玉米類型，每種基因基于DNA指紋（即基因型）在遺傳上互不相同，然后測量其衰老（即表型）。然后，研究小組將每個自交系的“基因型”與其“表型”相關(guān)聯(lián)，以鑒定出可能導(dǎo)致衰老的64種候選基因。

Sekhon說：“實(shí)驗(yàn)的另一部分是取一種保持綠色的植物和一種不保持綠色的植物，觀察衰老過程中約40,000個基因的表達(dá)。” “我們的研究人員每隔幾天檢查一次樣本，詢問在特定時間段內(nèi)哪些基因正在表達(dá)。這鑒定出600多個基因，這些基因似乎決定了植物是否會保持綠色。

“每種方法的主要問題之一是假陽性的發(fā)生，這意味著檢測到的某些基因是騙子，還有假陰性的實(shí)例，這意味著我們錯過了某些因果基因。”

因此，Sekhon和他的同事不得不使用“蒸汽遺傳學(xué)”方法將兩個大型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果精心組合在一起，以鑒定一些高可信度的靶基因，可以進(jìn)一步測試這些基因以確認(rèn)其在衰老中的作用。他們結(jié)合數(shù)據(jù)集將范圍縮小到14個候選基因，并最終詳細(xì)檢查了兩個基因。

Sekhon說：“最顯著的發(fā)現(xiàn)之一是糖似乎決定了衰老。” “當(dāng)糖沒有通過光合作用從葉片上移開時，這些糖分子就會開始發(fā)出信號以引發(fā)衰老。”

但是，并非植物中發(fā)現(xiàn)的所有形式的糖都能夠發(fā)出信號。Sekhon及其同事在這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)的基因之一似乎將葉片細(xì)胞中的復(fù)雜糖分解為較小的糖分子-六碳糖，如葡萄糖和果糖-能夠傳遞衰老信號。

塞康說：“這是雙重打擊。” “我們不僅失去了這些植物所生產(chǎn)的多余糖，這些植物可以養(yǎng)活更多的饑餓的嘴。葉子中這些未使用的糖開始衰老，并一起停止糖的合成過程。”

這對糧食安全意義重大。這些植物產(chǎn)生的糖應(yīng)轉(zhuǎn)移到可用于食物的各種植物器官中。

“我們發(fā)現(xiàn)植物正在仔細(xì)監(jiān)測種子的填充。糖的分配是衰老的關(guān)鍵因素。我們發(fā)現(xiàn)即使在美國種植的玉米品種中也存在許多遺傳變異。”

一些植物填充種子，然后可以開始填充植物的其他部分。

Sekhon說：“至少一些保持綠色的植物能夠通過在莖中儲存額外的能量來做到這一點(diǎn)。” “收獲種子時，田間剩下的任何東西都稱為秸稈。”

秸稈可以用作動物飼料或生物燃料的來源。隨著糧食和能源需求的增長，人們對開發(fā)既提供谷物又提供秸稈的兩用作物的興趣日益濃厚。隨著農(nóng)田的稀缺，感覺衰弱的植物后來變得越來越重要，因?yàn)樗鼈兠靠弥参锂a(chǎn)生的總能量更多。

這項(xiàng)研究中鑒定出的基因可能在其他谷物作物中發(fā)揮相同的功能，例如水稻，小麥和高粱。Sekhon說，下一步是使用突變體和轉(zhuǎn)基因檢查這些基因的功能。

塞康說：“最終目標(biāo)是幫助地球并養(yǎng)活不斷增長的世界。隨著氣候不斷惡化，土地和水源不斷減少以及人口增加，糧食安全是人類面臨的主要挑戰(zhàn)。”