Historia badań nad Arabidopsis thaliana

Arabidopsis thaliana jest pierwszorzędnym organizmem modelowym i najważniejszym gatunkiem w podstawowych badaniach genetyki molekularnej roślin .

A. thaliana była pierwszą rośliną, dla której określono wysokiej jakości referencyjną sekwencję genomu (patrz poniżej), a światowa społeczność badawcza opracowała wiele innych zasobów genetycznych i narzędzi. Eksperymentalne zalety A. thaliana umożliwiły wiele ważnych odkryć. Te zalety zostały obszernie przeanalizowane, podobnie jak jego rola w fundamentalnych odkryciach dotyczących układu odpornościowego roślin, naturalnej zmienności, biologii korzeni i innych dziedzin.

Wczesna historia

A. thaliana została po raz pierwszy opisana przez Johannesa Thala, a później przemianowana na jego cześć. (Zobacz Taksonomia w głównym artykule). Friedrich Laibach wyjaśnił, dlaczego A. thaliana może być dobrym systemem eksperymentalnym w 1943 roku i zebrał dużą liczbę naturalnych akcesji. A. thaliana jest w dużej mierze samopylna , więc te akcesje reprezentują szczepy wsobne , o wysokiej homozygotyczności, która upraszcza analizę genetyczną. Naturalne A. thaliana są często określane jako „ ekotypy” . ”. Laibach wcześniej (1907) określił A. thaliana (5) w ramach swoich badań doktoranckich.

George Rédei był pionierem wykorzystania A. thaliana do badań podstawowych, wypełniając pierwsze ekrany mutagenezy chemicznej i pisząc wpływową recenzję w 1975 r. Rédei rozprowadzał standardowe akcesoria laboratoryjne „Columbia-0” i „Landsberg erecta ”.

Gerhard Röbbelen zorganizował pierwsze Międzynarodowe Sympozjum Arabidopsis w 1965 roku. Röbbelen uruchomił także „Serwis Informacyjny Arabidopsis”, biuletyn służący do wymiany informacji w społeczności. Ten biuletyn był prowadzony przez AR Kranz od 1974 roku i był publikowany do 1990 roku.

Rosnące zainteresowanie, 1975-1986

W miarę rozwoju metod biologii molekularnej wielu badaczy starało się skoncentrować wysiłki społeczności na wspólnych modelowych gatunkach roślin, takich jak petunia czy pomidor . Koncepcja ta zmieniła punkt ciężkości długiej tradycji badaczy wykorzystujących różnorodne gatunki o znaczeniu rolniczym, takie jak kukurydza , jęczmień i groch . Naukowcy z laboratorium Elliota Meyerowitza wykazali, że A. thaliana genom jest stosunkowo mały i niepowtarzający się, co było ważną zaletą wczesnych metod molekularnych. Meyerowitz i współpracownicy wnieśli również ważny wkład w rozwój modelu ABC rozwoju kwiatów poprzez analizę genetyczną kwiatowych mutantów homeotycznych . Meyerowitz i Chris R. Somerville otrzymali później nagrodę Balzana za pracę nad rozwojem A. thaliana jako modelu. Znani badacze, tacy jak Gerald Fink i Frederick M. Ausubel, zostali przekonani do adopcji A. thaliana jako model, w tym do badania interakcji gospodarz-drobnoustroj. W pionierskich A. thaliana wykorzystano jej naturalny patogen nitkowaty Hyaloperonospora arabidopsidis , modelową bakterię patogenną dla roślin Pseudomonas syringae i wiele innych drobnoustrojów.

A. thaliana są przezroczyste i mają stosunkowo prostą promieniście symetryczną strukturę komórkową, co ułatwia analizę mikroskopową.

Klonowanie molekularne, 1986-2000

Klonowanie genu A. thaliana , locus kodującego dehydrogenazę alkoholową , opisano w 1986 roku.

Mapy genetyczne, populacje QTL i klonowanie oparte na mapach

Opracowanie mapy genetycznej opartej na widocznych i molekularnych markerach genetycznych ułatwiło oparte na mapach klonowanie zmutowanych loci z klasycznych ekranów genetycznych . Rosnąca ilość danych dotyczących sekwencji DNA ułatwiła opracowanie i zastosowanie takich markerów molekularnych. Opisy pierwszych udanych projektów klonowania opartych na mapach zostały opublikowane w 1992 roku.

rekombinowane populacje szczepów / linii wsobnych (RIL), zwłaszcza z krzyżówki Columbia-0 × Lansberg erecta , i wykorzystano do mapowania i klonowania szerokiej gamy loci cech ilościowych .

Efektywna transformacja genetyczna

A. thaliana może być transformowana genetycznie przy użyciu Agrobacterium tumefaciens ; transformacja została po raz pierwszy opisana w 1986 roku. Późniejsze prace wykazały, że transgeniczne nasiona można uzyskać po prostu zanurzając kwiaty w odpowiedniej zawiesinie bakteryjnej. Wynalazek / odkrycie tej metody „kwiatowej kąpieli”, opublikowane w 1998 r., Sprawiło, że A. thaliana prawdopodobnie najłatwiej transformuje organizm wielokomórkowy i był niezbędny dla wielu późniejszych badań. Wydajna transformacja ułatwiła mutagenezę insercyjną , jak opisano poniżej.

Geny homeodomen

Palec homeodomeny rośliny został tak nazwany ze względu na jego odkrycie w homeodomenie Arabidopsis . W 1993 r. Schindler i in. odkrył palec PHD w białku HAT3.1 . Od tego czasu okazało się, że jest ważny dla chromatyny w wielu różnych taksonach.

Geny homeobox podobne do KNOTTED, homologi genu KNOTTED1 kukurydzy, które kontrolują tożsamość merystemu wierzchołkowego pędu , zostały opisane w 1994 r., A klonowanie locus SHOOT-MERISTEMLESS opublikowano w 1996 r.

Projekt genomu

Międzynarodowe konsorcjum rozpoczęło sekwencjonowanie i składanie szkicu genomu A. thaliana w 1990 r. Prace te były równoległe do projektu Human Genome Project i powiązanych projektów dla innych organizmów modelowych, w tym pączkujących drożdży S. cerevisiae , nicienia C. elegans i muchy Drosophila melanogaster , które zostały opublikowane odpowiednio w 1996, 1998 i 2000 roku. Projekt opierał się na wysiłkach zmierzających do sekwencjonowania wyrażonych znaczników sekwencji z A. thaliana . Opisy sekwencji chromosomów 4 i 2 opublikowano w 1999 r., a projekt zakończono w 2000 r. Był to pierwszy genom referencyjny dla rośliny kwitnącej i ułatwił genomikę porównawczą .

Genomika funkcjonalna i porównawcza, 2000-2010 i później

Projekt NSF 2010

Seria spotkań doprowadziła do ambitnej, długoterminowej inicjatywy finansowanej przez NSF , mającej na celu określenie funkcji każdego genu A. thaliana do roku 2010. Uzasadnieniem dla tego projektu było połączenie nowych technologii o wysokiej przepustowości z systematycznym badaniem całej rodziny genów badania i zasoby społeczności, aby przyspieszyć postęp poza to, co było możliwe dzięki fragmentarycznym badaniom w jednym laboratorium.

Analiza mikromacierzy i transkryptomu

mikromacierzy DNA została szybko przyjęta w badaniach A. thaliana i doprowadziła do opracowania „atlasów” ekspresji genów w różnych tkankach iw różnych warunkach.

Analiza „odwrotnej genetyki” na dużą skalę

Sekwencja genomu A. thaliana , tanie sekwencjonowanie Sangera i łatwość transformacji ułatwiły mutagenezę całego genomu, dając kolekcje mutantów transpozonowych o indeksie sekwencji i (zwłaszcza) zmutowanych linii T-DNA . Łatwość i szybkość zamawiania zmutowanych nasion z centrów hodowlanych radykalnie przyspieszyła badania „odwrotnej genetyki” wielu rodzin genów; Centrum Zasobów Biologicznych Arabidopsis i Nottingham Centrum Zasobów Arabidopsis były ważne w tym względzie, a informacje o dostępności zasobów zostały włączone do bazy danych The Arabidopsis Information Resource .

Firma Syngenta opracowała i publicznie udostępniła znaczącą populację mutantów T-DNA, kolekcję Syngenta Arabidopsis Insertion Library (SAIL). Inwestycje przemysłu w A. thaliana poniosły porażkę w wyniku zamknięcia Instytutu Badawczego Torrey Mesa firmy Syngenta (TMRI), ale pozostały solidne. Firma Mendel Biotechnology dokonała nadekspresji ogromnej większości czynników transkrypcyjnych A. thaliana , aby wygenerować wskazówki dla inżynierii genetycznej. Cereon Genomics, spółka zależna Monsanto , zsekwencjonowała erekta Landsberga przystąpienie (przy mniejszym zasięgu niż projekt Col-0) i udostępnił zespół wraz z innymi danymi znaczników sekwencji.

wyciszanie RNA

A. thaliana szybko stała się ważnym modelem do badania roślinnych małych RNA . Mutant argonaute1 , nazwany ze względu na podobieństwo do ośmiornicy Argonauta , był imiennikiem rodziny białek Argonaute , która ma kluczowe znaczenie dla wyciszania. Badania przesiewowe genetyczne ukierunkowane na zmianę fazy wegetatywnej ujawniły wiele genów kontrolujących biogenezę małego RNA. Wiele grup zidentyfikowało mutacje w DICER-LIKE1 (kodującym główne białko DICER kontrolujące mikroRNA biogenezy u roślin), które powodują silne wady rozwojowe. A. thaliana stała się ważnym modelem metylacji DNA kierowanej przez RNA (wyciszanie transkrypcji), częściowo dlatego, że wiele mutantów metylacyjnych A. thaliana jest zdolnych do życia, co nie ma miejsca w przypadku kilku zwierząt modelowych (u których takie mutacje powodują śmiertelność).

Rosnąca popularność innych roślin modelowych

Gdy projekt NSF 2010 zbliżał się do końca, zaobserwowano spadek zainteresowania agencji finansujących A. thaliana , o czym świadczy zaprzestanie finansowania przez USDA badań nad A. thaliana [ potrzebne źródło ] i koniec finansowania przez NSF bazy danych TAIR . Tendencja ta zbiegła się z postępem (wspieranej przez amerykańskie NSF) National Plant Genome Initiative, która rozpoczęła się w 1998 roku i położyła większy nacisk na uprawy. Wstępna sekwencja genomu ryżu została opublikowana w 2002 r., a następnie publikacje dotyczące sorgo i kukurydza w 2009 r. Szkic genomu drzewa modelowego Populus trichocarpa został opublikowany w 2006 r. Szkic genomu Brachypodium distachyon , niskorosnącej trawy modelowej ( Poaceae ) został opublikowany w 2010 r. Joint Genome Institute of the United States Department of Energy zidentyfikowana topola, sorgo, B. distachyon , trawa modelowa C4 Setaria viridis (proso włoskie), mech modelowy Physcomitrella patens , alga modelowa Chlamydomonas reinhardtii oraz soi jako „sztandarowego” gatunku w genomice roślin ukierunkowanej na zastosowania bioenergetyczne .

Nagrody

Niemniej jednak A. thaliana pozostała popularnym modelem, a 13 wybitnych amerykańskich genetyków A. thaliana zostało wybranych jako badaczy prestiżowego Instytutu Medycznego Howarda Hughesa oraz Fundacji Gordona i Betty Moore w 2011 roku: Philip Benfey, Dominique Bergmann , Simon Chan, Xuemei Chen , Jeff Dangl , Xinnian Dong , Joseph R. Ecker , Mark Estelle , Sheng Yang He , Robert A. Martienssen , Elliota Meyerowitza , Craiga Pikaarda i Keiko Torii . (Wybrano również genetyka pszenicy Jorge Dubcovsky i badacza fotosyntezy Krishna Niyogi, który szeroko stosował A. thaliana wraz z algami Chlamydomonas reinhardtii ). Wcześniej garstka genetyków A. thaliana została badaczami HHMI: Joanne Chory (1997) , Daphne Preuss (2000-2006) i Steve'a Jacobsena (2005).

Wpływ technologii sekwencjonowania drugiej i trzeciej generacji

A. thaliana nadal jest przedmiotem intensywnych badań z wykorzystaniem nowych technologii, takich jak wysokowydajne sekwencjonowanie. Bezpośrednie sekwencjonowanie cDNA („ RNA-Seq ”) w dużej mierze zastąpiło analizę ekspresji genów na mikromacierzy, a kilka badań sekwencjonowało cDNA z pojedynczych komórek ( scRNA-seq ), szczególnie z tkanki korzenia. Mapowanie mutacji z badań przesiewowych w przód jest coraz częściej wykonywane za pomocą bezpośredniego sekwencjonowania genomu, w niektórych przypadkach połączonego z masową analizą segregacji lub krzyżowaniem wstecznym . A. thaliana jest pierwszorzędnym modelem do badań mikrobiomu roślinnego i naturalna zmienność genetyczna, w tym badania asocjacyjne całego genomu . Edycja DNA pod kontrolą krótkiego RNA za pomocą CRISPR jest stosowana u A. thaliana od co najmniej 2013 roku.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_research_on_Arabidopsis_thaliana&oldid=1136434876 ”