今天的大豆通常是金黃色的，帶有微小的黑色標(biāo)記，它們附著在豆莢上。在數(shù)百萬(wàn)豆類(lèi)的領(lǐng)域，幾乎所有豆類(lèi)都具有這種外觀。然而，偶爾豆子會(huì)變成半黑色，馬鞍圖案類(lèi)似于黑眼豆。
“黃色來(lái)源于一種稱(chēng)為基因沉默的自然過(guò)程，其中基因相互作用以關(guān)閉某些特征，”伊利諾伊大學(xué)作物科學(xué)系的新任教授Lila Vodkin解釋道。“科學(xué)家經(jīng)常利用這個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)從改良作物到藥物的所有東西，但天然存在的基因沉默的例子 - 也稱(chēng)為RNA干擾或RNAi - 是有限的。更好地理解這個(gè)過(guò)程可以解釋你怎么做操縱從大豆到人類(lèi)的任何基因。“
大約20年前發(fā)現(xiàn)RNAi途徑是一種微小蛔蟲(chóng)的自然發(fā)生過(guò)程。顯示其生物醫(yī)學(xué)潛力的發(fā)現(xiàn)和后續(xù)工作為科學(xué)家贏得了2006年的諾貝爾獎(jiǎng)。在植物中，RNAi在矮牽牛中被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)育種者試圖將一個(gè)基因轉(zhuǎn)化為更亮的粉紅色和紫色時(shí)，它們會(huì)變成白色的花朵。花色的基因已被沉默。
“在它們被馴化之前，由于種皮中的花青素顏料不同，大豆呈黑色或棕色，”與沃德金一起研究的研究專(zhuān)家薩拉瓊斯說(shuō)。“育種者擺脫了黑暗的色素，因?yàn)樗鼈兛梢栽谔崛∵^(guò)程中褪色油或豆粕。”
沃德金澄清說(shuō)：“黃色是一種自然發(fā)生的RNAi突變，可能是在農(nóng)業(yè)開(kāi)始時(shí)自發(fā)發(fā)生的，就像一萬(wàn)年前一樣。人們看到黃豆是不同的。他們撿起它們，拯救它們，并培育它們。野生大豆，大豆(Glycine sojae)的種質(zhì)資源，你沒(méi)有找到黃色，只有深色的種子。“
該團(tuán)隊(duì)以前的工作表明黃色大豆是由一個(gè)涉及兩個(gè)基因的天然基因沉默過(guò)程引起的?；旧希渲幸粋€(gè)基因阻止了深色素前體的產(chǎn)生。但是研究人員并不確定為什么黑色顏料有時(shí)會(huì)再次出現(xiàn)，就像馬鞍形狀的豆子一樣。現(xiàn)在他們知道了。
Vodkin和她的團(tuán)隊(duì)在美國(guó)農(nóng)業(yè)部大豆種質(zhì)收集中搜尋了具有異常色素沉著的豆類(lèi)，該收集品位于U的I中。該系列包含數(shù)千個(gè)標(biāo)本，代表了馴化大豆及其野生近緣種的大部分遺傳多樣性。
“我們要求這種黑色馬鞍形狀的豆子，”瓊斯回憶道。“我們想知道他們是否都從同一基因中獲得了這種模式。” 早在1945年就收集了一些樣品。
該團(tuán)隊(duì)使用現(xiàn)代基因組測(cè)序技術(shù)，快速篩選約56,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，以確定負(fù)責(zé)該模式的基因。主要作者Young Cho在注意到Argonaute5基因缺陷時(shí)作為研究生發(fā)現(xiàn)了這一發(fā)現(xiàn)。研究小組用馬鞍觀察了另外的豆子，發(fā)現(xiàn)Argonaute5基因在每個(gè)豆子中都有不同的缺陷。
“這就是你如何證明你發(fā)現(xiàn)了正確的基因，”沃德金說(shuō)，“因?yàn)檫@些獨(dú)立的突變發(fā)生在同一基因的不同位置。”
當(dāng)Argonaute5基因有缺陷時(shí)，無(wú)法再進(jìn)行沉默過(guò)程 - 通常會(huì)阻止暗色素并導(dǎo)致黃豆?；蛉毕萁忉屃藶槭裁窗瞪爻霈F(xiàn)在馬鞍豆中。
在團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)之前，很少有關(guān)于基因相互作用如何在自然發(fā)生的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)沉默的例子。今天，生物工程師使用基因工程技術(shù)來(lái)沉默基因以產(chǎn)生期望的結(jié)果，無(wú)論是花色，抗病性，改善的光合作用，還是任何數(shù)量的新應(yīng)用。
“大豆中的黃色可能是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，如果它不是天然存在的話，”沃德金說(shuō)，“但這將花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元，而且每種黃豆都是轉(zhuǎn)基因生物。大自然首先設(shè)計(jì)它。” 她說(shuō)這項(xiàng)研究還強(qiáng)調(diào)了大豆種質(zhì)收集的價(jià)值，這種收集保留了研究和育種目的的多樣性。