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植物育種作物改良的端粒運動的特定機制植物育種最早出現在幾千年前,最初是農民從具有期望特性的植物中選擇種子的簡單過程,稱為

作者:三顧桃花塢

植物育種作物改良的端粒運動的特定機制

植物育種最早出現在幾千年前,最初是農民從具有期望特性的植物中選擇種子的簡單過程,稱為選擇育種,以滿足消費者的需求培育後代作物。這個過程有時被稱為馴化。

馴化有時會導緻一種稱為馴化綜合征的情況,其中馴化的作物不再能夠在野外生存,并需要人類幹預才能生存和繁殖,因為它失去了自然的種子擴散能力、抵抗自然毒素以及在植物的某些部分(供人類使用)增加形态變異的能力。

植物失去擴散機制通常是由于其花序内失去脫落區域,導緻花序破裂以釋放種子。這種效應已經發生在各種玉米和稻谷的栽培品種中,植物中雄性減數分裂過程中,隻有經過減數分裂程式設計的細胞才能形成配子,減數分裂的作用是産生單倍體的配子,這個過程包括幾個明确的階段/亞階段。

細胞減數分裂是一種專門用于生産配子的核分裂途徑,該過程包括配子合成的關鍵步驟之一,即将二倍體染色體數目減半形成單倍體配子,在成功受精後,子代中的染色體數目将恢複為二倍體,減數分裂通過同源染色體間基因的重組和染色體的随機配置設定,導緻基因的重新組合。

第一相前期包括五個明顯的亞階段,利用光學顯微鏡進行了鑒定,這種方法被用來制定拟南芥(2n=10)和大麥(2n=14)減數分裂的圖譜。在進入減數分裂之前,染色質在前減數間期未凝縮。

第一亞階段是纖維期,染色質開始以線狀結構可見,進展到下一個亞階段雜合期時,同聯區域增加。接下來是厚交期,同源染色體完全聯會。然後成對的二價體開始在分離期分離,接着是最後一個亞階段二價體期,在該期間同源染色體對進一步壓縮,同源染色體分離但在染色體交叉點處相連,形成拟南芥中可見的五個二價體。

大麥中可見的七個二價體重組發生在交叉點的位置,通過追蹤在減數分裂前S期中與[3H]胸腺嘧啶摻入DNA的研究确定了小麥(約24小時)、黑麥(約51小時)和小黑麥(約21小時)的減數分裂持續時間。

通過采樣脫氧溴尿脫氧胸腺嘧啶(BrdU)脈沖标記的減數分裂拟南芥芽,觀察它們在減數分裂過程中的進展。研究發現在18.5°C的條件下,從減數分裂S期結束到四聯體出現的持續時間為33小時。

纖維期的持續時間為6小時,雜合期/厚交期持續15.3小時,分離期到四聯體的持續時間為2.7小時。相似的生長條件下,同樣的技術表明大麥的減數分裂過程持續時間為43小時。

與野生型相比,經過人工培育的種子形成減少,每個果莢平均隻産生2顆種子,而野生型果莢平均産生40到50顆種子。為了研究AtSPO11突變對重組頻率的影響,将WS生态型(Wassilewskija)中雜合對spo11-1-1突變的系列與哥倫比亞生态型(Col-0)進行交叉。

在F2代中确定了兩個微衛星标記nga280和nga111的重組頻率,發現兩個标記的計算遺傳圖距離比野生型低10倍,表明重組頻率顯著降低。将長度在1.0-2.3厘米範圍内的單個固定的小穗放入一個黑色的玻璃表皮中,其中含有固定劑和長度在0.4至1.0毫米之間的花藥。

花藥消化後用冷卻的檸檬酸鹽緩沖液替換酶溶液以停止反應,按照長度遞增的順序,将單個花藥用移液管轉移到少量檸檬酸鹽緩沖液中的顯微鏡載玻片上,随機形成次級端粒探針,其中dTTP被DIG-16-dUTP取代。

端粒的主要作用是保護染色體的末中,人們還非常關注端粒作為在早期減數分裂中使同源染色體發生大規模移動的手段。染色體的這種配對使得随後的下遊減數事件,如合植和重組得以發生。

在真核生物中,普遍認為一個稱為“花束”的結構,在整個減數分裂的第一次分裂開始前,發揮了促進同源染色體在端粒末端的初始配對的核心作用,然後在合植開始時進行全局染色質重組。

總結:

對染色體配對控制的研究揭示出,一個由微管或“類微管”介導的機制控制端粒運動,這對于大麥亞端粒區域的配對至關重要。盡管花束傳統上被認為有助于同源配對,但在大麥、小麥-黑麥附加系和酵母中已經證明,沒有花束結構的情況下,端粒仍然可以配對。

使用活細胞微管标記來跟蹤在端粒配對和花束形成過程中細胞骨架的參與,并可視化化學處理後細胞骨架完整性是否受到破壞,一旦可以确定編碼SUN-like蛋白的基因存在于大麥甚至小麥中,研究的方向将變得更加明确,但問題是截止2022年目前為止還沒有出現這種情況。

參考文獻:

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[2] 試論正常育種與分子育種的研究應用. 鄧麗琴,祝朋芳,陳長青.雜糧作物,2004

[3] 植物細胞壁形成機制的新進展. 張保才;周奕華.中國科學:生命科學,2015

[4] 植物胞質分裂發生機制. 葉纨芝,曹家樹,金維正.細胞生物學雜志,2005

[5] 植物花粉母細胞減數分裂制片的一種好方法[J]. 曹秀雲;周世琦.生物學通報,1989(11)

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