一株拟南芥覆盖在T -DNA转化的拟南芥基因组的单个标记的DNA分子上。
近日，美国索尔克生物研究所的研究人员以有史以来最高的分辨率绘制了转基因植物的基因组和表观基因组图，以揭示当插入一段外来DNA时，基因组在分子水平上会发生什么。于1月15日发表在《公共科学图书馆·遗传学》杂志上的研究论文阐明了改良植物的常规方法，并提供了更加有效降低潜在脱靶效应的新方法。
“这是展示基因组变化真正的起点，我们使用了最新的映射和测序技术，观察了将基因插入到植物基因组造成的影响。”霍华德·休斯医学研究所的研究员Joseph Ecker教授说，他也是索尔克生物研究所植物分子和细胞生物学实验室以及基因组分析实验室的负责人。
科学家们通常使用农杆菌把新基因插入植物基因组中，用于基础研究或者是促进粮食作物的健康或营养。农杆菌是导致树冠瘿瘤的细菌，几十年前，科学家发现，当农杆菌感染一棵树时，会将部分DNA转移到树的基因组上。从那时起，研究人员就利用农杆菌的T-DNA将所需的基因转移到植物基因组中。
最近，DNA测序技术提示，当农杆菌的T-DNA被用来插入新基因时，它可能会导致原生DNA结构和化学性质的额外变化。“生物技术公司花费了大量的时间和精力来描述转基因植物的特性，在没有从基础生物学角度理解变化可能发生原因的情况下，忽略了发生非目的变化的候选植株。而现在，我们提供了一种更好地理解这些影响的方法，可能有助于加快这一过程。”Ecker说。
“最大的未知数是，T-DNA是否在目的片段中插入了基因，以及插入了多少个基因副本。”共同第一作者Florian Jupe说。由于T-DNA可以将目的基因的多个副本整合到植物中，而大多数技术都难以对高度重复的DNA片段进行测序，因此使用标准DNA测序很难研究插入的最终结果。
但Ecker等人采用了一种新的方法组合，利用光学测绘和纳米孔测序来观察这些长时间的高分辨率图像。他们将该技术应用于四株随机选择的拟南芥（生物学上常用的模式植物）的T-DNA系。光学图谱显示，这些植物的基因组中有1~7个不同的插入或重排，大小几乎是原来的10倍。纳米孔测序和两株拟南芥基因组的重建证实了单碱基分辨率的插入，包括在一株拟南芥的染色体中交换或转移的整个DNA片段。基因插入本身表现出多种模式，插入的DNA片段有时是混乱的，倒置的，甚至是沉默的。
“这项研究在一年前几乎是不可能的，纳米孔测序被一些人称为DNA测序的‘圣杯’，它彻底改变了对基因组中最复杂区域的解读，而这些区域在之前是完全无法获取的，也是未知的。”共同第一作者Todd Michael说。
此外，研究人员研究组蛋白时也发现了额外的变化。组蛋白将DNA包装成结构单元，其修饰介导了某个基因能否被细胞利用。根据T-DNA整合的位置，附近某些组蛋白修饰的出现或消失可能改变临近其他基因的调控或激活。
“现在我们对T-DNA插入如何塑造该位置的表观基因组环境有了第一个高分辨率的图像。” 共同第一作者Mark Zander说。在理想的情况下，T-DNA可以插入一个目的基因的功能性副本，而不会对附近的基因组产生副作用。尽管研究结果显示，这种情况在拟南芥中很少见，但新方法为更好地理解和监测其影响提供了途径。
“拟南芥的基因组很小，所以测序也相对容易。但随着DNA测序技术的不断进步，我们预计这种方法也可能用于农作物，”Ecker补充说。“目前的方法需要筛选数百个转基因品系，以找到表现良好的品系，比如那些没有非目的插入的品系，而这项技术可以提供一种更有效的筛选方法。”
编译：花花
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