2014年07月18日《科学》杂志精选

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特刊 & 封面故事：几近完成的普通小麦的基因组
A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome
Structural and functional partitioning of bread wheat chromosome 3B
研究人员已经展示了普通小麦基因组的序列草图，从而在通往创制世界上种植最广泛谷物作物之一的完整参考序列的道路上到达了一个主要的里程碑。他们的工作给了科学家们一个可在小麦个体染色体上快速定位特定基因的工具，这一资源可帮助他们改良小麦育种以满足从未有过的对食物的更高需求，加快小麦新品种的开发并增加小麦对环境压力的抵抗性。3则相关的《科学》报道利用了这一几近完成的序列。
对小麦的需求持续地在上升。正如由稻子和其它作物所证明的，普通小麦的一个完整的基因组序列会给有兴趣提高作物性能的小麦培育者提供一个重要的资源。然而，普通小麦基因组的大量、重复的特性使得制作这样一种序列变得困难。如今，在4则报告的第一则中，来自国际小麦基因组测序联盟（IWGSC）的Klaus Mayer等人展示了普通小麦的基因序列草图，这是对所有21条染色体的基因含量及组成所做的一个调查。为了实现这一壮举，他们制定了一个实体绘制策略--对一个叫做Chinese Spring的培育的小麦品种的每个染色体臂进行了分离，测序及组装。沿着这些染色体臂，研究人员能够精确定位超过12万个基因，它们中有许多与在农业上重要的像谷物品质、对病虫害的抵抗性或非生物胁迫耐受性等特性有关。
在第二则相关的报告中，Frédéric Choulet及其在IWGSC的同事给出了一个更完整的被称作参考序列的序列，该序列是该植物21条染色体中最大的序列：染色体3B。应用一种叫做BAC-to-BAC的测序策略，研究人员确认了数千个沿着3B的重要基因标记；他们的测序工作——利用了由IWGSC研发的策略——将会加快对来自这一染色体的重要基因的确认。由于小麦基因组是高度重复的，并有非常频繁的插入，因此即使是组装一个染色体也是困难的。由Choulet等人所做的工作对IWGSC的测序策略给予了支持，从而为测序所剩下的20条染色体建立了一个模板。应用这一相同的策略，明年可能会完成另外几条普通小麦染色体的测序。
正如在另外2篇发表的文章中所揭示的，IWGSC的测序草图已经为科学家们就小麦基因组的演化及与谷物发育有关的基因提供了新的了解。Thomas Marcussen等人利用该序列草图来更好地了解现代普通小麦——它起源于3个不同品种间的杂交——的系统发育历史。他们的发现意味着当今的普通小麦基因组是多轮杂交事件的一个产物，并显示了对全基因组数据集的分析如何能协助厘清基因演化的复杂模式。Matthias Pfeifer等人对来自发育中的普通小麦谷物组织的RNA产物进行了编目以了解该3种亚基因组是如何促成现代普通小麦基因组对其基因表达的影响的。总之，这些研究为朝着成就一个支持小麦研究与培育的完整的参考序列铺平了道路。（DOI: 10.1126/science.1251788 & DOI: 10.1126/science.1249721）
人类基因组的蛋白产物仍然是一个谜
Human tRNA synthetase catalytic nulls with diverse functions
据新的研究报告，经过一些可变操纵的众所周知的基因仍然会令我们吃惊，其所产生的用于生物性应用的蛋白产物是科学家们过去一直没有发现到的。这一点是重要的，因为大多数的人类基因都被多次进行可变性设计或剪接--尽管所致蛋白产物的实际性研究一直是阙如的。一个叫做AARS酶的酶族对将遗传密码变为活的现实是至关重要的；AARS酶将氨基酸——这是蛋白质的构件——送交给匹配的转运RNA分子或tRNAs。这个过程有时被称作给tRNA“装料”。一旦tRNA被装料，便可从DNA蓝图进行蛋白质翻译。先前的研究显示，AARS酶的可变剪接可产生具有新功能的全新的AARS蛋白。为了对其进行研究，Wing-Sze Lo等人以AARS基因族作为目标并对来自可变剪接版本的蛋白进行了分析，他们发现了许多不同形式的蛋白产物，它们中的大多数失去了装料tRNAs的能力。有趣的是，过度表达这些AARS片段会导致不同的细胞活性——提示这些片段发挥了与那些所认识的AARS的典型功能不一样的独特功能。这项工作揭示，即使是特征得到充分描述的基因仍然会让我们感到惊讶，它们会产生具有其它多元的、功能先前没有被认识到的蛋白。（DOI:10.1126/science.1252943）
研究人员说，‘基因驱动’ 值得关注
Regulating gene drives
据本期《政策论坛》的作者披露，在“基因驱动”被考虑用于像给蚊子基因组进行重新编程以消除疟疾或用于逆转杀虫剂抗药性的发生之前，涵盖这项技术——它包括了基因编辑——的法规中的缺口必须得到填补。他们说，现在是一个对“具有广泛包容性及信息灵通”的有关基因驱动的未来进行公共讨论的时候了。基因驱动技术是在10年前第一次提出的，它涉及到遗传偏差性基因的设计，这些基因具有驱动某些特征在群体中通过的潜力。它从最近的在CRISPR技术方面的进步而得到了一针强心剂。据文章的作者披露，尽管基因驱动还没有在野生种群中实施（它们的应用还仍然局限于实验室研究），Kenneth Oye及其同事说，现在是严格评估这一迅速发展的技术的时间了；该技术可用于造福人类，但它也会造成未知的环境及安全风险。他们说，例如，虽然基因驱动可为目标群体进行特异性的设计，但它们扩散至非目标群体的可能性应该在得到控制的实地试验中进行探索。为了确保基因驱动不被滥用，Oye及他的同事呼吁做更多的具有多重保障的长期研究以减少基因驱动在野生种群中扩散的风险。他们还倡议同时测试能够抵消基因驱动作用的免疫及逆转驱动。他们还呼吁给多学科的专家团队指派研究假设的涉及故意滥用此技术情况的任务。文章的作者指出，基因驱动技术会远远超出现有的国际安全政策及法规的范围，他们呼吁在广泛应用它们之前应将某些全球性公约进行更新。最后，他们提出，所有与基因驱动相关的数据应该免费供公众获取并接受同行审查。（DOI: 10.1126/science.1254287）
为更多人提供食物并同时保护环境的新战略
Leverage points for improving global food security and the environment
由Paul West及其同事所撰写的一个新的报告提出，关注一个相对较短的区域、作物及所采取的行动的名单可为改善全球食物安全并同时降低农业对环境的影响提供新的机会。这项推进了先前的旨在为不断增加的人口提供食物的工作的研究将关注点聚焦于减少农业对环境的负面影响有着最大潜力并同时还能增加食品供应的3个范围广泛的领域。研究人员用最近发布的地理空间数据衡量了水的使用、食物浪费、温室气体排放及来自像化肥等来源的营养物污染所带来的影响以发现他们所称的“全球杠杆点”，即科学家们及决策者们为得到最大影响力而设定的粮食安全努力的目标。他们说，中国、印度和美国有着全球农田过多营养物（尤其是氮和磷）中的大多数，而印度、巴基斯坦、中国和美国用了大多数的灌溉降雨量有限地区农作物的水。West及他的同事还估计，美国、中国、西欧与巴西消耗了农作物非食物使用——例如生物燃料的生产及动物喂养——中的大多数热卡。研究人员指出，正在发生的气候改变会在以后影响他们结果的准确性，但他们呼吁政府、企业、基金会及公民等在他们当地的社会经济及环境情况中采纳目前最好的做法。他们说，通过在化肥的增加产量的益处与其对全球各地关键地区环境的负面影响之间的折中进行优化，决策者们有能力为大约另外30亿人提供营养。（DOI:10.1126/science.1246067）