《自然》杂志：完美草莓的科学原理
由于新的基因研究，传统的草莓正在复兴。
“我总是听到，‘哦，今天这些草莓不像我祖母花园里的那些，’”威廉玛丽生物学助理教授乔希·普泽说。“所以我们通过测序它的基因组建立了一个工具。现在我们可以深入了解味道是如何产生的，质地是如何产生的，大小是如何产生的。它将帮助我们了解其他作物，但有一个结果是你可以在商店里找到味道像你祖母草莓的草莓。”
Puzey和他的两个学生加入了一个研究小组，完成了草莓基因组的第一次染色体级组装。新测序的基因组为全球作物发展提供了一个窗口，并突出了“垃圾DNA”影响基因表达的鲜为人知的力量。
他们的研究成果最近发表在《自然遗传学》（Nature Genetics）杂志上，追踪了北美草莓的起源，并发现了基因组中的一个怪癖，这个怪癖可能从根本上改变这种水果的繁殖方式。其他合作院校包括密歇根州立大学、加州大学戴维斯分校、阿拉巴马大学、亚利桑那大学和内布拉斯加州大学。
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花园草莓（Fragaria x ananassa）对天气非常敏感，只在特定的气候条件下才能茁壮成长，Puzey解释道。根据美国农业部的数据，加州目前是世界上最大的草莓产地。该州的草莓产量占全球草莓总产量的三分之一，这意味着草莓必须经过培育才能经受住世界旅行。
Puzey解释说，为喷气式飞机上的人进行选择性繁殖是以味道和营养为代价的。通过对草莓的全基因组进行测序，Puzey和他的研究小组离确定基因组的子集又近了一步，这个子集可以解释其他想要的特征，比如味道和气味。这一发现可能会为新的育种技术打开大门，这些技术可以同时选择持久性和风味。
论文指出：“我们的分析显示，某些代谢途径，包括那些产生草莓味道、颜色和香气的代谢途径，在很大程度上是由显性亚基因组控制的。”“因此，我们预计这个新的参考基因组，结合对亚基因组优势的见解，将大大加快栽培草莓的分子育种工作。”
这听起来可能很简单，但做酥饼还有很长的路要走。栽培草莓的繁殖是一个复杂的过程。根据草莓个体的不同，它要么有很多父母，要么根本没有父母。一些小草莓是四种不同亲本谱系的产物，而另一些只是同一草莓的克隆。
“想象一下，如果你能把你的手臂伸出来，把它放在地上，然后把它砍下来，创造出另一个你，”罗恩·史密斯说。“这就是它正在做的事情。这个克隆体只是第一株草莓的附属物。”
通过育种培育出来的草莓，其性状是由四位亲本遗传下来的。遗传学家称这种现象为八倍体，当一个生物体在一个细胞核内拥有来自四个亲本的全套同源染色体时。草莓版的《创世纪》不仅有亚当和夏娃，还有芭芭拉和史蒂夫。
“想象一下，你有家长A、B、C和D，”普泽说。“它们都杂交产生一个个体。现在，在那个个体中，所有这些亲本都有他们独特的进化轨迹，而整个历史都在那个植物的大基因组中的单个细胞核中。”
这些亲代谱系中的每一个都被称为一个亚基因组，Puzey解释说。总之，这四个谱系杂交创造了我们今天吃的完整的Camarosa草莓基因组。Puzey和他的研究小组想要了解每个亚基因组的个体属性。具体来说，他们感兴趣的是四个父母中哪一个更占优势。
为了解决这个问题，他们需要一个搞数字的人。史密斯是一名应用科学专业的研究生，他符合这个要求。他拥有法明代尔州立大学（Farmingdale State College）的数学学位，作为威廉玛丽大学（William & 玛丽）研究生工作的一部分，他开发了一种统计测试来评估亚基因组优势。
史密斯说：“假设我有来自多个不同谱系的基因，我想知道当我与另一个拥有多个谱系的个体杂交时会发生什么。”“如果我们想知道哪个基因占主导地位，有一种数学方法可以解决这个问题。任何时候你有一个多倍体问题，一个关于哪个基因组中的哪个基因会胜出的问题，这个方法都适用。”
植物和人类一样，某些特性通过显性基因遗传给后代。棕色眼睛的父亲和蓝色眼睛的母亲所生的婴儿更有可能拥有棕色眼睛，因为棕色眼睛的基因更占优势。在婴儿的基因组中，编码棕色眼睛的一小段DNA更有可能被激活或表达，因此孩子长棕色眼睛的几率更大。
草莓携带着四个不同亲本的基因组，构成了后代的“亚基因组”。Puzey和他的团队发现，四个亲本基因组中有一个更活跃，因此比其他三个表达得更多。如果人类像草莓一样有四个父母，我们的后代很可能只有一个母亲的眼睛颜色。在这种假设的情况下，母亲的基因组将是婴儿的主要亚基因组。
在花园草莓中占主导地位的亚基因组被称为F. vesca亚基因组。研究人员发现，F. vesca比其他三个亚基因组多出20%的蛋白质编码基因。他们还发现，枯萎菌可能控制着草莓的抗病性和其他重要方面。
“一旦我们有了这个发现，问题就变成了，为什么一个基因组比另一个更具优势？”Puzey说。“我们在这篇论文中发现的证据是，这些被称为转座因子的东西，人们通常称之为垃圾DNA，实际上以我们以前没有预料到的方式对亚基因组优势产生影响。”
研究人员发现，与草莓的其他三个亚基因组相比，F. vesca亚基因组的转座因子（对蛋白质等基因产物没有功能贡献的DNA）减少了大约20%。Puzey解释说，这种转座因子的缺乏可能是F. vesca如此占优势的原因。
他说：“我们发现这种所谓的‘垃圾DNA’实际上可能对基因表达有调节作用。”
理解转座因子的真正调控作用需要大量的数据分析。本科生斯科特·特雷西（Scott Teresi）在大三和大四的大部分时间都在做这件事。他目前正在建立一个数据集，详细描述了转座因子的类型以及它们与草莓基因组中每个基因的相对距离。他写的追踪“垃圾DNA”的代码可以在任何基因组上运行。
“转座因子或转座子是一种可移动的遗传因子，可以在基因组中复制和移动自己，因此它们有时被称为跳跃基因，”特蕾西说。“从历史上看，它们一直被认为是寄生基因，因为它们除了自身增殖外没有任何功能。因此，这导致它们对基因组大小的重要部分做出贡献。你的基因组充满了它们。”
特蕾西说，几乎一半的人类基因组是由转座子组成的。玉米基因组中约85%是转座子。事实上，印第安玉米的多色籽粒是转座子的直接结果。
特蕾西说：“一个核与旁边的核看起来如此不同的原因是因为转座子落在色素基因上或附近，基本上把它炸开了。”
和玉米一样，草莓也是多倍体。它们包含多个亲本的基因组，携带两套以上完整的染色体。研究人员认为，他们在草莓中发现的转座子和基因表达之间的联系可能适用于许多其他多倍体。一个亚基因组的转座子越多，基因表达的可能性就越小，所以另一个亚基因组就会胜出。
特蕾西说：“这是一种我们无法通过经典遗传学来解释的发现。”“我们现在处于表观遗传学领域，DNA的可及性发生了变化，但密码本身却没有变化。这是令人兴奋的，因为这将为转座因子的功能和结果开发一种新的范式。”
如果这个团队的发现能够付诸实践，我们将拥有色彩鲜艳、经久耐用、味道像刚从祖母的花园里摘出来的草莓。
