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藻类库为光合作用的基因提供了见解

绿色并不容易。它需要数千个基因来构建植物需要利用太阳光进行生长的光合作用机器。然而,研究人员并不确切知道这些基因是如何起作用的。

现在,由普林斯顿大学研究人员领导的团队已经建立了一个公共的“图书馆”,以帮助研究人员找出每个基因的作用。利用该库,该团队确定了303个与光合作用相关的基因,包括21个新发现的基因,这些基因具有很高的潜力,可以为这种维持生命的生物过程提供新的见解。这项研究于本周在Nature Genetics上发表。

普林斯顿分子生物学助理教授Martin Jonikas说:“负责光合作用的植物部分就像一个由许多部分组成的复杂机器,我们希望了解每个部分的作用。”“我们希望,这个图书馆将成为人们建立下一代发现的基础之一。”释放每个基因的作用可以让研究人员设计植物以更快地生长,有可能满足未来世界的食物需求。植物也可能​​被改变以吸收更多的二氧化碳,有助于应对气候挑战。

该图书馆的资金很大程度上来自国家科学基金会的资助,该图书馆由数千个单细胞池塘藻类组成,称为莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii),简称Chlamy。图书馆中的每本“书”都是Chlamy的菌株,只有一个突变。位于明尼苏达大学Chlamydomonas资源中心的62,000多种突变菌株覆盖了Chlamy基因的80%以上。

类似的文库已经在其他单细胞生物中制造,例如酵母,但这是任何单细胞光合生物的第一次这样的努力。单细胞生物的快速生长使它们成为研究工具的宝贵价值。

“因为这种藻类通常被用作了解更广泛的生物过程的模型,所以这个图书馆将是一个重要的资源,”美国国家科学基金会的项目主任Karen Cone表示,该基金会是该研究的主要资助者。 。“Jonikas集团与Chlamydomonas资源中心之间的合作伙伴关系增强了社区对这一宝贵资源的可访问性,这反过来将使新发现成为可能,特别是在NSF的研究优先领域之一,'了解生活规则'。”

该项目于2010年开始,而Jonikas和他的团队在斯坦福大学校园内的卡内基科学研究所,并于2016年在Jonakas实验室搬迁的普林斯顿大学完成。该项目是与Arthur Grossman合作的,他是一名资深的科学家。卡内基和Chlamydomonas资源中心由明尼苏达大学植物和微生物生物学教授Paul Lefebvre经营。

在所有其他功能基因中观察只有一个缺陷基因的Chlamy细胞的能力允许研究人员弄清楚该基因的作用。例如,如果细胞移动有困难,那么缺陷基因的功能很可能涉及控制运动。

Jonikas将Chlamy突变体库与包含数千份用于构建汽车的手册的图书馆进行了比较,每个副本都缺少不同的部分。无论使用哪种手册,由此产生的汽车都会丢失一部分,使其无法按预期运行。

“喇叭可能不起作用,或方向盘可能无法转动,”Jonikas说。“然后你会知道缺失的部分包含汽车那部分的说明。”

该库使研究人员能够同时测试多个突变Chlamy菌株,因为每个突变都标有独特的“DNA条形码”。对于目前的研究,研究人员将数千个Chlamy菌株放入一个烧瓶中并将它们暴露在光线下。未能生长的菌株更可能含有参与光合作用的基因。

其中一个新发现的基因是CPL3,它被认为在光合机械的蛋白质“部分”中起作用。该团队正在探索该基因是否有助于藻类根据日照水平的变化调整其光合作用。

突变体库可以在植物生物学的其他领域进行研究,例如细胞内通讯和Chlamy使用尾状纤毛在其环境中划桨的能力。

该研究的第一作者李晓波在团队完成图书馆时是普林斯顿大学的博士后研究员。“我们希望,衣原体突变体库和已鉴定的基因将导致光合作用,细胞运动和许多其他过程中的许多基本发现,”李说。

Jonikas实验室的高级生物信息学分析师Weronika Patena编写了计算机程序来分析大量数据,以确定最有可能参与光合作用的基因。“我相信这个项目的成功将大大加快对光合作用和其他过程的研究,其中Chlamy是一个很好的模型,并为科学界提供了很多价值,”她说。

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