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這項(xiàng)合作研究探討了鮮為人知的玉米（又名玉米）和其他谷物農(nóng)作物衰老過(guò)程的遺傳結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)表在《植物細(xì)胞》（The Plant Cell）上，這是植物科學(xué)方面同行評(píng)議最熱門的科學(xué)期刊之一。植物遺傳學(xué)家，科學(xué)學(xué)院遺傳與生物化學(xué)系助理教授Rajan Sekhon是該論文的主要作者和相應(yīng)作者，該論文名為“整合的基因組規(guī)模分析確定了玉米衰老的新基因和網(wǎng)絡(luò)”。

Sekhon說(shuō)：“衰老意味著'細(xì)胞或器官在它所屬于的有機(jī)體手中死亡。” “它幾乎發(fā)生在任何地方，甚至在動(dòng)物中也是如此。我們殺死了我們不需要的細(xì)胞。當(dāng)秋天的天氣變化時(shí)，我們?cè)跇渖狭粝铝似恋那锾祛伾?。在秋天開(kāi)始時(shí)，植物意識(shí)到它們不能維持葉子，它們殺死葉子。這完全與能源經(jīng)濟(jì)有關(guān)。”

結(jié)果，葉子在變色后消失了。從葉片清除的能量存儲(chǔ)在植物的樹干或根中，并在明年春天用于快速繁殖葉片。這對(duì)于樹木來(lái)說(shuō)是很有意義的。但是對(duì)于其他一些可食用植物，尤其是谷物作物，如玉米，水稻和小麥，情況卻大不相同。

Sekhon說(shuō)：“這些農(nóng)作物的播種非常謹(jǐn)慎，農(nóng)民以化肥的形式提供了過(guò)量的養(yǎng)分。” “葉片可以通過(guò)光合作用而不是過(guò)早地死亡，而是繼續(xù)通過(guò)光合作用來(lái)制造食物。了解玉米等農(nóng)作物衰老的誘因意味著科學(xué)家可以以有益于饑餓世界的方式改變植物。”

Sekhon的研究生涯橫跨分子遺傳學(xué)，基因組學(xué)，表觀遺傳學(xué)和植物育種，他于2014年成立了他的實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任助理教授。在玉米研究界廣泛使用的“基因圖譜”的開(kāi)發(fā)中，他發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他在頂級(jí)同行評(píng)審期刊上發(fā)表了幾篇論文，研究復(fù)雜植物性狀的調(diào)控。

Sekhon說(shuō)：“如果我們可以減緩衰老，這可以使植物在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持綠色或不衰老。” “植物育種者一直在選擇衰老較晚的植物，而沒(méi)有完全了解衰老在分子水平上的作用。”

這些被稱為“常綠”的植物名不虛傳。面對(duì)干旱和高溫等植物壓力大的環(huán)境因素，它們可以保持綠色的時(shí)間更長(zhǎng)，產(chǎn)量更高，并且更有韌性。

但是，即使存在保持綠色的植物，對(duì)衰老的分子，生理和生化基礎(chǔ)仍然知之甚少。衰老是一個(gè)復(fù)雜的性狀，受多種內(nèi)部和外部因素影響，并受許多共同起作用的基因的調(diào)控。因此，現(xiàn)成的遺傳方法無(wú)法完全闡明這一神秘過(guò)程。Sekhon和他的同事的突破是系統(tǒng)遺傳學(xué)方法的結(jié)果。

Sekhon和其他研究人員研究了玉米中保持綠色性狀的自然遺傳變異。平心在線. 該過(guò)程涉及種植400種不同的玉米類型，每種基因基于DNA指紋（即基因型）在遺傳上互不相同，然后測(cè)量其衰老（即表型）。然后，研究小組將每個(gè)自交系的“基因型”與其“表型”相關(guān)聯(lián)，以鑒定出可能導(dǎo)致衰老的64種候選基因。

Sekhon說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)的另一部分是取一種保持綠色的植物和一種不保持綠色的植物，觀察衰老過(guò)程中約40,000個(gè)基因的表達(dá)。” “我們的研究人員每隔幾天檢查一次樣本，詢問(wèn)在特定時(shí)間段內(nèi)哪些基因正在表達(dá)。這鑒定出600多個(gè)基因，這些基因似乎決定了植物是否會(huì)保持綠色。

“每種方法的主要問(wèn)題之一是假陽(yáng)性的發(fā)生，這意味著檢測(cè)到的某些基因是騙子，還有假陰性的實(shí)例，這意味著我們錯(cuò)過(guò)了某些因果基因。”

因此，Sekhon和他的同事不得不使用“蒸汽遺傳學(xué)”方法將兩個(gè)大型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果精心組合在一起，以鑒定一些高可信度的靶基因，可以進(jìn)一步測(cè)試這些基因以確認(rèn)其在衰老中的作用。他們結(jié)合數(shù)據(jù)集將范圍縮小到14個(gè)候選基因，并最終詳細(xì)檢查了兩個(gè)基因。

Sekhon說(shuō)：“最顯著的發(fā)現(xiàn)之一是糖似乎決定了衰老。” “當(dāng)糖沒(méi)有通過(guò)光合作用從葉片上移開(kāi)時(shí)，這些糖分子就會(huì)開(kāi)始發(fā)出信號(hào)以引發(fā)衰老。”

但是，并非植物中發(fā)現(xiàn)的所有形式的糖都能夠發(fā)出信號(hào)。Sekhon及其同事在這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)的基因之一似乎將葉片細(xì)胞中的復(fù)雜糖分解為較小的糖分子-六碳糖，如葡萄糖和果糖-能夠傳遞衰老信號(hào)。

塞康說(shuō)：“這是雙重打擊。” “我們不僅失去了這些植物所生產(chǎn)的多余糖，這些植物可以養(yǎng)活更多的饑餓的嘴。葉子中這些未使用的糖開(kāi)始衰老，并一起停止糖的合成過(guò)程。”

這對(duì)糧食安全意義重大。這些植物產(chǎn)生的糖應(yīng)轉(zhuǎn)移到可用于食物的各種植物器官中。

“我們發(fā)現(xiàn)植物正在仔細(xì)監(jiān)測(cè)種子的填充。糖的分配是衰老的關(guān)鍵因素。我們發(fā)現(xiàn)即使在美國(guó)種植的玉米品種中也存在許多遺傳變異。”

一些植物填充種子，然后可以開(kāi)始填充植物的其他部分。

Sekhon說(shuō)：“至少一些保持綠色的植物能夠通過(guò)在莖中儲(chǔ)存額外的能量來(lái)做到這一點(diǎn)。” “收獲種子時(shí)，田間剩下的任何東西都稱為秸稈。”

秸稈可以用作動(dòng)物飼料或生物燃料的來(lái)源。隨著糧食和能源需求的增長(zhǎng)，人們對(duì)開(kāi)發(fā)既提供谷物又提供秸稈的兩用作物的興趣日益濃厚。隨著農(nóng)田的稀缺，感覺(jué)衰弱的植物后來(lái)變得越來(lái)越重要，因?yàn)樗鼈兠靠弥参锂a(chǎn)生的總能量更多。

這項(xiàng)研究中鑒定出的基因可能在其他谷物作物中發(fā)揮相同的功能，例如水稻，小麥和高粱。Sekhon說(shuō)，下一步是使用突變體和轉(zhuǎn)基因檢查這些基因的功能。

塞康說(shuō)：“最終目標(biāo)是幫助地球并養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)的世界。隨著氣候不斷惡化，土地和水源不斷減少以及人口增加，糧食安全是人類面臨的主要挑戰(zhàn)。”