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通过真正的马铃薯种子基础来重塑马铃薯繁殖...
马铃薯是世界许多国家的主要主食。它在其起源领域具有悠久的耕种历史，即秘鲁的安第斯山脉地区。 它通过块茎传播以维持由于高杂合性和多倍体基因组而维持品种的纯度。 栽培的土豆是自动四倍体和自我兼容的。 ，但是自交时，由于父母线的高杂合性，它们表现出高近亲抑郁症，并且可能是自我自我的致命等位基因的表达。 因此，纯合线不能在四倍体马铃薯中开发，并且仅以块茎的形式保持品种以及先进的繁殖材料。 通过克隆繁殖以块茎的形式维持品种和其他繁殖线，导致害虫和疾病的积累，尤其是病毒，这些病毒在克隆传播的每个循环中一直在繁殖。 这导致品种生产力和接受度的降低。 此外，马铃薯育种计划需要12年以上的时间来开发一种新品种，并基于块茎的克隆繁殖。 该品种的种子也通过块茎的种子繁殖速率约为1：8块茎，将种子乘以克隆。 在全球一级有两种方法将TPS用作马铃薯中的繁殖材料。秘鲁的安第斯山脉地区。它通过块茎传播以维持由于高杂合性和多倍体基因组而维持品种的纯度。栽培的土豆是自动四倍体和自我兼容的。，但是自交时，由于父母线的高杂合性，它们表现出高近亲抑郁症，并且可能是自我自我的致命等位基因的表达。因此，纯合线不能在四倍体马铃薯中开发，并且仅以块茎的形式保持品种以及先进的繁殖材料。通过克隆繁殖以块茎的形式维持品种和其他繁殖线，导致害虫和疾病的积累，尤其是病毒，这些病毒在克隆传播的每个循环中一直在繁殖。这导致品种生产力和接受度的降低。此外，马铃薯育种计划需要12年以上的时间来开发一种新品种，并基于块茎的克隆繁殖。该品种的种子也通过块茎的种子繁殖速率约为1：8块茎，将种子乘以克隆。在全球一级有两种方法将TPS用作马铃薯中的繁殖材料。
CRISPR-Cas9 介导敲除木薯 CYP79D1 和 CYP79D2 可减弱有毒氰化物的产生
木薯 (Manihot esculenta Crantz) 是一种富含淀粉的块根作物，养活了全世界热带和亚热带地区超过 10 亿人。然而，这种主食会产生有毒的氰化物，需要经过加工才能安全食用。过量食用加工不充分的木薯，再加上缺乏蛋白质的饮食，会对神经退行性产生影响。由于木薯的杂合性质，通过常规育种降低氰化物含量存在问题；重组通常会破坏克隆繁殖品种的一系列理想性状。为了降低木薯中的氰化物水平，我们使用 CRISPR 介导的诱变技术来破坏细胞色素 P 450 基因 CYP79D1 和 CYP79D2，这两个基因的蛋白质产物可催化氰化物葡萄糖苷生物合成的第一步。敲除这两个基因可消除木薯品种 60444 和西非农民偏爱的品种 TME 419 的叶子和块茎中的氰化物。虽然单独敲除 CYP79D2 可显著减少氰化物，但诱变 CYP79D1 则不会，这表明这些旁系同源物的功能已经出现分化。我们的工作表明，木薯基因组编辑可提高食品安全、降低加工要求并带来环境效益，这些优势可轻松扩展到其他农民偏爱的品种。
表观遗传学：气候变化时期葡萄育种的创新杠杆
气候变化给葡萄栽培带来了许多威胁。人们已经制定了不同的策略来减轻这些影响，从创新的葡萄园管理方法和精准葡萄栽培到培育更适应环境挑战的新品种和砧木。表观遗传学是指基因组功能的可遗传变化，不受 DNA 序列变异的影响。最近发现表观遗传记忆可以介导植物对环境的适应和适应，这为应对气候变化的植物改良提供了新的杠杆，而不会对遗传信息产生重大影响。这可以通过使用压力的表观遗传记忆和/或通过在不改变遗传信息的情况下以新的表观等位基因的形式创造表观遗传多样性来实现。事实上，葡萄藤是一种多年生嫁接克隆繁殖植物，因此具有表观遗传特异性。这些特异性需要已经在模型植物中开发的适应策略，但也提供了探索表观遗传记忆和多样性如何成为具有类似特性的植物快速适应环境的主要来源的机会。在这些策略中，使用不同类型的诱导剂进行一年一次和一年一次的植物启动可能提供有效的方式来更好地应对（非）生物胁迫。利用接穗和砧木之间的表观遗传交换和/或在基因组范围内创造非靶向表观遗传变异，或使用表观遗传编辑进行靶向变异，可能为葡萄树改良提供创新且有希望的途径，以应对气候变化带来的挑战。
无融合生殖禾本科植物的遗传转化
现有的植物转化方法和超越其极限的扩展对于作物改良仍然至关重要。对于禾本科植物来说，这甚至更加关键，主要是因为体外再生存在缺陷。尽管禾本科植物中存在许多通过农杆菌或基因枪法实现遗传转化的方案，但它们的效率取决于基因型，而且由于这些物种难以进行体外再生，因此效率仍然很低。世界各地的大学和企业中可能有许多用于谷物和其他重要作物的植物转化设施，但对于无融合生殖物种来说情况并非如此，其中许多是 C4 禾本科植物。此外，无融合生殖（通过种子进行无性繁殖）是育种的另一个限制因素。然而，无融合生殖克隆的转化是一种有吸引力的策略，因为转基因会立即固定在高度适应的遗传背景中，能够进行大规模克隆繁殖。除了巴西种植面积约为 1 亿公顷的 Brachiaria brizantha 等一些物种外，无融合生殖在经济作物中几乎不存在。然而，由于有时在野生近缘种中存在这种特性，因此主要目标是将这种特性转移到作物中以固定杂种优势。到目前为止，这是一项艰巨的任务，主要是因为无融合生殖的许多方面尚不清楚。在过去的几年中，已经确定了许多候选基因，并尝试在拟南芥和水稻中对它们进行功能鉴定。然而，真正的无融合生殖物种的功能分析远远落后，主要是由于其基因组的复杂性、性状本身的复杂性以及缺乏有效的遗传转化方案。在本研究中，我们回顾了以无融合生殖禾本科植物为重点的体外培养和遗传转化方法的现状，以及在其他相关物种中应用新工具的前景，目的有两个：为发现无融合生殖所涉及的分子途径铺平道路，并开发新的育种能力，因为这些禾本科植物中的许多都是重要的饲料或生物燃料资源。
在树和克隆作物中的基因编辑
摘要由于树木的常规育种和克隆繁殖作物所固有的局限性，因此基因编辑引起了极大的兴趣。数十篇已发表的论文证明了克隆作物和树木中基于CRISPR的系统的高效率。预计“清洁”编辑的机会将避免或减轻许多国家的监管负担，并可能改善市场接受。然而，迄今为止，几乎所有对树木和克隆作物的研究都保留了基因组中的所有基因编辑机制。尽管基因编辑效率很高，但技术和监管障碍可能会极大地限制商业用途的进展。技术障碍包括困难和缓慢的转化和再生，开花或克隆系统的延迟发作，这些系统使CRISPR相关基因的性隔离变得难度，效率低下的切除系统可以启用功能性（蛋白质或RNA加密的蛋白质或RNA加密DNA），以及狭窄的宿主范围或有限的基因范围或有限的基因上的变速器系统。调节性障碍包括诸如基因编辑植物（如转基因作物）的欧盟中，以及基于方法的许多形式的基于方法的系统，这些系统基于方法与产品新颖性进行了严格调节，因此很大程度上应用于每个插入事件。其他主要障碍包括关于国际贸易方案的规定以及对美国国家环境政策法的遵守情况。《 USDA Secure Act》已迈出了基于科学和风险的更大的一步 - 基于方法和插入事件 - 系统，但在美国及其他地区需要进一步的监管和法律创新。
马尔贝克葡萄品种的二倍体基因组组装使得能够对克隆表型变异背后的转录组差异进行单倍型感知分析
为了保留其品种属性，已建立的葡萄品种（Vitis vinifera L. ssp. vinifera）必须进行克隆繁殖，因为它们的基因组是高度杂合的。马尔贝克是一种源自法国的品种，因生产高品质的葡萄酒而受到赞赏，是品种 Prunelard 和 Magdeleine Noire des Charentes 的后代。在这里，我们将 PacBio 长读段三重合并到从父母遗传的两个单倍体补体中，构建了马尔贝克的二倍体基因组组装。经过单倍型感知的重复数据删除和校正后，获得了两个单倍相的完整组装，且单倍型转换错误率非常低（< 0.025）。单倍相比对确定了 > 25% 的多态性区域。基因注释（包括 RNA-seq 转录组组装和从头算预测证据）导致两个单倍相的基因模型数量相似。利用注释的二倍体组装体对四个表现出浆果组成特征差异的马尔贝克克隆种质进行转录组比较。使用任一单倍体作为参考对成熟果皮转录组进行分析，得到了相似的结果，尽管观察到了一些差异。特别是，在仅以 Magdeleine 遗传单倍型为参考鉴定的差异表达基因中，我们观察到假设的半合子基因的过度表达。克隆种质 595 的浆果花青素含量较高，与脱落酸反应增加有关，可能导致观察到的苯丙烷代谢基因的过度表达和与非生物应激反应相关的基因的失调。总体而言，结果强调了生产二倍体组装体的重要性，以充分代表高度杂合的木本作物品种的基因组多样性并揭示克隆表型变异的分子基础。
马尔贝克葡萄品种的二倍体基因组组装使得能够对克隆表型变异背后的转录组差异进行单倍型感知分析
为了保留其品种属性，已建立的葡萄品种（Vitis vinifera L. ssp. vinifera）必须进行克隆繁殖，因为它们的基因组是高度杂合的。马尔贝克是一种源自法国的品种，因生产高品质的葡萄酒而受到赞赏，是品种 Prunelard 和 Magdeleine Noire des Charentes 的后代。在这里，我们将 PacBio 长读段三重合并到从父母遗传的两个单倍体补体中，构建了马尔贝克的二倍体基因组组装。经过单倍型感知的重复数据删除和校正后，获得了两个单倍相的完整组装，且单倍型转换错误率非常低（< 0.025）。单倍相比对确定了 > 25% 的多态性区域。基因注释（包括 RNA-seq 转录组组装和从头算预测证据）导致两个单倍相的基因模型数量相似。利用注释的二倍体组装体对四个表现出浆果组成特征差异的马尔贝克克隆种质进行转录组比较。使用任一单倍体作为参考对成熟果皮转录组进行分析，得到了相似的结果，尽管观察到了一些差异。特别是，在仅以 Magdeleine 遗传单倍型为参考鉴定的差异表达基因中，我们观察到假设的半合子基因的过度表达。克隆种质 595 的浆果花青素含量较高，与脱落酸反应增加有关，可能导致观察到的苯丙烷代谢基因的过度表达和与非生物应激反应相关的基因的失调。总体而言，结果强调了生产二倍体组装体的重要性，以充分代表高度杂合的木本作物品种的基因组多样性并揭示克隆表型变异的分子基础。
Malbec葡萄种植品种的二倍体基因组组装启用了克隆表型变异的转录组差异的单倍型感知分析
为了保留其品种属性，已建立的葡萄藤品种（Vitis Vinifera L. ssp。vinifera）必须由于其高度杂合基因组而被克隆繁殖。马尔贝克（Malbec）是一种以法国原始的品种生产高质量的葡萄酒，是品种Prunelard和Magdeleine Noire des Charentes的后代。在这里，我们已经建立了Malbec的二倍体基因组组装，在PacBio Long的三人组合中读取了从任何一个父母继承的两个单倍体补充中。在单倍型的重复数据删除和校正后，以非常低的单倍型开关率（<0.025）获得了两个单倍相的完整组件。单倍相一致性识别> 25％的多态区域。基因注释，包括RNA-Seq转录组组装和从头算预测证据，两种单倍相的基因模型数量相似。在MALBEC的四个克隆辅助的转录组比较中，在浆果组成性状变化的四个克隆辅助中被利用。 使用任何一个单倍相作为参考的成熟果皮转录组分析产生了相似的结果，尽管观察到了一些差异。 尤其是，在仅以玛格德林属性单倍型为参考的差异表达基因中，我们观察到了假设半合子基因的过度占代表性。 总体而言，结果突出了产生二倍体组件以完全表示高度杂合木质作物品种的基因组多样性的重要性，并揭示了克隆表型变异的分子碱基。在浆果组成性状变化的四个克隆辅助中被利用。使用任何一个单倍相作为参考的成熟果皮转录组分析产生了相似的结果，尽管观察到了一些差异。尤其是，在仅以玛格德林属性单倍型为参考的差异表达基因中，我们观察到了假设半合子基因的过度占代表性。总体而言，结果突出了产生二倍体组件以完全表示高度杂合木质作物品种的基因组多样性的重要性，并揭示了克隆表型变异的分子碱基。克隆登录595的较高的浆果花青素含量与脱落酸反应增加有关，可能导致观察到观察到的苯基丙烷代谢基因的过表达以及对与非生物应激反应相关的基因失控。
“纯粹的快乐”可能不是你期望在目的陈述中看到的第一个短语，但纯粹的快乐是唯一能描述我第一次
“纯粹的喜悦”可能不是你期望在目的陈述中看到的第一个短语，但纯粹的喜悦是描述我第一次改变人类细胞基因组时感受的唯一方式。在我对这些细胞进行测序后，我的分析显示，经过数月的故障排除后，编辑效率仍未达到。这个秘密来自我找到并适应我们系统的新预印本，这意味着我们离理解一种假定的适应性变体在选择下在代谢中的作用如何发挥作用又近了一步。正是这种能够提出以前未知的问题，了解我们周围世界的工作方式，并真正得到答案的能力——即使在多次失败之后——促使我继续我的研究生生涯。除了进化生物学和基因组学之外，我无法想象自己能找到如此有趣的问题来解决，如此激发我整个大脑的问题。杜克大学的遗传学和基因组学系正在提出这些关于现实世界、基础生物学的广泛问题，这一事实让我深感兴奋，能够加入这个研究人员社区，他们不断致力于追求该领域的卓越。我第一次体验到这样一个社区能够理解这种似乎永无止境的求知欲望，那是在我第一次进行实地研究探险的时候。白天，我在落基山脉收集金鱼草杂交花，与维也纳科学技术研究所的 Nick Barton 博士实验室一起进行基因分型。晚上，我在夜间的实地团队晚餐上聆听了几个小时绝对迷人的博士后和研究生们热烈讨论生态学、杂交区和自然选择等各种问题。我只想成为他们中的一员，参与这些对话并做出有意义的贡献。自然而然，这种对科学的热爱让我在两个月后就周末在环境控制室里收集虫卵。从西班牙回来后，我找到了韦尔斯利学院生物系唯一的进化生物学家 Andrea Sequeira 博士。在她的实验室里，我深入研究了一个项目，研究两种克隆繁殖的入侵昆虫物种如何将其基因表达程序适应各种新宿主植物。我们能够观察到基因表达差异与可用宿主植物类型之间的关联，令人惊讶的是，这些基因表达差异在成虫和进食前的后代之间也存在。这是我第一次理解生态学、测序技术和进化生物学如何整合起来，提出任何领域都无法单独解决的问题。我将这个项目从实验台推进到分析阶段，最终完成了我的系荣誉论文、PLOS One 1 上的第一作者出版物，并在 2019 年国际进化会议上介绍了这个项目。在这里，我能够与不同的研究人员进行深入的对话，而这些对话曾经超出了我的理解范围，我们对解读生命复杂性有着共同的兴趣。这让我坚信，研究社区是唯一可以满足我一生继续研究进化问题的愿望的地方。虽然我是在 COVID-19 疫情期间毕业的，但我在麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的 Pardis Sabeti 博士的实验室里找到了一个可以推动我发挥智力极限的新家。在这里，我开始研究基因组学的一个基本问题：DNA 序列如何影响基因表达？我为我们小组开发高通量 CRISPR 干扰筛选做出了贡献，该筛选可以识别任何基因的非编码调控元件，我作为共同作者在《自然遗传学》杂志上发表了描述该方法的论文 2，这反映了这一点。然后，我开始关注一个相关问题，即这些调控元件内的非编码人类变异如何影响基因表达，并开发了我尖端的分子基因组学方法和计算分析工具。我致力于优化 CRISPR-Cpf1 基因组编辑方法，以测试假定的因果非编码多态性的功能后果。利用这些等位基因