根据纽约大学研究人员领导的一项新研究，比较玉米，高粱和小米的单个细胞揭示了这些重要谷物作物之间的进化差异。

发表在《自然》杂志上的研究结果使研究人员更接近于确定哪些基因控制着耐旱性等重要的农业性状，这将有助于面对不断变化的气候的科学家使作物适应更干燥的环境。

玉米、高粱和小米为世界各地的人类和动物提供食物。玉米和高粱是古老的亲戚，大约在12万年前进化成两个不同的物种，小米是更远的亲戚。

尽管它们有共同的祖先，但这些作物在关键性状上存在实质性差异 - 例如，高粱比玉米更耐旱，植物从根部释放出独特的粘稠物质，以塑造它们与周围土壤的相互作用。这些差异可以追溯到玉米从高粱分裂后经历全基因组复制。

“这些作物的重要性，它们的进化接近性和功能差异为比较细胞水平的基因表达模式提供了一个令人兴奋的机会，”他说。

Bruno Guillotin，纽约大学生物系博士后助理，该研究的第一作者。“虽然这三种作物相似，但它们之间的差异很重要，因为它们具有我们可能希望从一种转移到另一种的特征，例如耐旱性。

研究人员对玉米，高粱和小米的根进行了单细胞mRNA分析，解剖根部以单独观察细胞，并精确观察基因在特定细胞中的表达位置。然后，他们比较了三种作物中相同的特化细胞。

“根是抵御干旱和高温的第一道防线。你可以把根想象成一台有许多工作部件的机器 - 在这种情况下，细胞类型 - 所以了解机器如何工作来收集水和处理干旱和热量非常重要，“Kenneth Birnbaum说，他是纽约大学生物学系和基因组学与系统生物学中心的教授，该研究的资深作者。“比较不同的物种有助于我们梳理出哪些基因导致了关键的农业性状。

在研究细胞在不同物种中如何进化和分化时，研究人员发现了几种趋势，这些趋势指向细胞随着时间的推移而“修补”或现有元素的重新排列。首先，他们观察到细胞经常在进化过程中在细胞类型之间交换基因表达模块，或10或50个具有协调功能的基因组。

“这种基因模块交换已经在动物系统中得到证实，但我们生成的数据是第一次在植物中大规模说明，”Birnbaum补充道。

这种模块的交换在一项关于根粘液的发现中得到了证明——根粘液是一种充满根部排放到土壤中的营养物质的粘稠物质。粘液可用于润滑土壤，使根部可以通过并吸引保护植物或提供难以获得的养分的有益细菌。

研究人员发现，帮助产生根粘液的基因位于玉米、高粱和小米根的不同部位。在高粱中，粘液基因在根的外部组织中被发现，而在玉米中，这些基因在根帽中被交换成一种新的细胞类型，这种进化变化可能使玉米吸引细菌，帮助植物获得氮。

他们还确定了其他基因调节因子，这些基因调节因子根据作物的不同在不同的细胞类型中切换，为研究人员提供了测试传达特定性状的基因的主要候选者。

此外，研究人员发现，玉米在12万年前从高粱中分离出来后，全基因组复制影响了特定类型的细胞，使玉米细胞能够迅速特化。他们还观察到，某些类型的细胞充当新基因的供体，而其他细胞似乎收集新的基因重复，这可能表明基因重复加速了某些细胞的进化。

单细胞测序技术的最新进展使这项研究成为可能，并为探索作物基因与细胞性状之间的联系开辟了新的方法。

“十年前，我们只能用早期的单细胞测序技术分析十几个或几十个细胞。现在我们可以在一个非常常规的实验中分析数万个细胞，“伯恩鲍姆说。

未来的研究将比较这三种作物的单细胞如何应对干旱等胁迫。

“正是这种反应可能是找到对耐旱性真正重要的一组基因的关键，”伯恩鲍姆说。