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两棵树的故事:表观遗传学使克隆体分化

了解树木的表观遗传变化如何影响基因相同的克隆对干旱的反应,揭示了“后天”在“先天”中的作用。

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并非所有克隆都一样。

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新闻要点:林业工人早已注意到,基因完全相同的树木,在分开的苗圃中生长时,对干旱的反应截然不同。一棵树能在困难时期茁壮成长,而另一棵则会枯萎。为何会产生这种差异?科学家们现在发现,分开饲养的双胞胎树,就像人类双胞胎一样

,表达的基因也不同。换句话说,后天正在影响先天。背景:

  • 商业化种植的树木通常是基因相同的:它们是许多年前拥有适合沙质土壤或最闪亮苹果的特质的树的克隆。有些克隆系相当古老——你街上的那棵年轻枫树可能是 1850 年代一棵树的基因双胞胎。

  • 虽然克隆树之间基因相同,但这些基因是否以相同的方式表达是表观遗传学的功能。在 DNA 碱基上添加甲基标签,称为甲基化,是一种表观遗传变化,它允许一些基因被转录,而另一些则不能。然而,细胞如何获得甲基化或去甲基化 DNA 的信号仍然模糊不清。

运作方式

  • 该团队比较了在不同苗圃中生长的杨树克隆。树木的生长方式并没有什么异常——它们都在室内按照标准条件生长。但果然,当缺水时,三种品种中有两种根据树木的生长地点表现出不同的反应。

  • 仔细观察,该团队发现树木 DNA 的甲基化模式非常不同。

  • 此外,对所有转录基因的调查显示,来自一个地点的树木正在部署一套基因来应对干旱,而来自另一个地点的它们的双胞胎则在使用另一套基因。

  • 他们还注意到,特定品种作为克隆种植的时间越长——例如,一种杨树品种可以追溯到 1900 年代初期——一对树共享共同克隆祖先的时间就越长,克隆对干旱的反应就越不同。

  • 他们检查了树木的基因组,以查看它们是否在这些年里发生了随机突变,但在每个品种中,DNA 序列都是相同的。这提出了一个有趣的可能性,即表观遗传变化会随着时间的推移而累积,因此来自较老克隆系的树木更容易在对压力的反应中表现出变异性。事实上,科学家们观察到了与同卵双胞胎类似的效果,随着他们年龄的增长。

未来展望:除了对表观遗传学的新见解外,这一发现还有实际应用:研究人员指出,管理中的森林通常有大片基因相同的树木,这意味着当病原体或环境压力源攻击时,整片树林都可能被摧毁。但是,如果林业工人能够根据这些表观遗传特征对克隆进行分类,他们就可以种植一个更健壮的森林,其中一些树木能够抵御干旱,而另一些则能够抵御洪水。参考:Sherosha Raj, Katharina Bräutigam, Erin T. Hamanishi, Olivia Wilkins, Barb R. Thomas, William Schroeder, Shawn D. Mansfield, Aine L. Plant, and Malcolm M. Campbell. 克隆历史影响杨树对干旱的反应美国国家科学院院刊,2011 年 7 月 11 日 DOI:10.1073/pnas.1103341108

图片来源:James Jordan / flickr

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