景观转录组学的先驱研究野外基因

大学公园，宾夕法尼亚州 - 宾夕法尼亚州立大学农业科学学院的一个跨学科团队 - 在一项旨在更好地了解气候变化对动植物生命和农业系统的影响的倡议中 - 正在关注一个新兴的研究领域，称为景观转录组学。

在 最近发表于《分子生态学资源》( Molecular Ecology Resources)的受邀技术评论论文中，团队负责人 、野生动物行为生态学助理研究教授Jason Keagy解释说，景观转录组学研究生物体中基因表达模式如何与环境变化相关——包括栖息地、天气、气候和污染物——以及对植物和动物功能的后续影响。

他解释说， 转录组是生物体基因表达的所有 RNA 分子的总和，本质上是细胞中所有基因读数的集合。他说，通过观察更大规模环境中更精细的基因表达差异，出现的趋势为地球上的生命如何适应变化提供了新的见解。

我们与 Keagy 坐下来了解更多关于这个新的复杂领域的信息。

问：什么是景观转录组学?

Keagy：转录组学是对特定时间点给定组织中所有 RNA 分子的研究。为什么我们关心 RNA?DNA基本上是一种记忆存储设备。对于一个真正做任何事情的基因来说，DNA 的字母必须被重写为 RNA 的字母，然后翻译成蛋白质。

我们可以从字面上读取 RNA 字母，找出哪些基因是活跃的，以及它们的活跃程度。然后我们可以问：环境压力源如何影响 DNA 代码的活性部分?这就是景观部分的用武之地。通常，我们会做实验来回答这个问题。但是有些东西在实验室里是研究不好的。大自然是混乱的，理解混乱很重要。

那么，如果我们改为从整个景观中获取样本并询问一些变量——温度、海拔、阴影——如何影响基因表达、转录组，会怎样?简而言之，这就是景观转录组学。

问：研究人员可以使用景观转录组学完成什么?

Keagy：在我们刚刚发表的论文中，我们概述了我们设想景观转录组学将解决的三个主要研究领域：理解涉及环境响应的分子途径，生成和测试关于这些环境响应机制和演变的假设，并将这些知识应用于物种保护和管理。

从理解生物体如何响应环境的角度来看，前两个很重要，而从更实际的角度来看，第三个很重要。

问：这种方法的实际应用是什么?

Keagy：我们设想了景观转录组学可用于保护和管理的多种方式。一种方法是开发生物标志物。例如，我们可以在一段时间内调查来自不同溪流的溪鳟鱼，以发现一组可靠地追踪温度压力的基因。使用此信息，我们可以识别处于危险中的种群，并将其作为栖息地或其他缓解措施的目标。

我们还可以确定对热应力特别有弹性的种群，并将这些种群用于重新引入或辅助迁移。因为基因表达对环境有灵活的反应，而且我们通常可以通过非致命手段获取组织——例如，通过提取一小块鳃——它可以让我们更好地追踪种群压力。

在未来可能发生的情况下，为宾夕法尼亚州渔船委员会进行电子捕鱼调查的技术人员可以取一小块鳃，将其放入提供的小瓶中保存，然后邮寄给宾夕法尼亚州立大学。我们将能够告诉委员会，这条鱼是否表现出热应激迹象或我们掌握的其他压力因素。

问：为什么不是每个人都在使用这种方法?

Keagy：基因组测序很昂贵，但正在变得越来越便宜。我们在论文中指出，使用某些技术对样品进行测序是可能的，每个样品的成本低于 100 美元。随着新一代测序仪进入市场，该价格可能会继续下降。

该方法在实验设计和统计分析方面也存在挑战。我们在本文中讨论了这些并提供了一些建议，尽管指出该领域可以从更多的工作中受益，以找出有效进行分析的最佳方法。

团队

宾夕法尼亚州立大学的景观转录组学倡议——其中包括 Christina Grozinger，Publius Vergilius Maro 昆虫学教授;Heather Hines，生物学和昆虫学副教授;泰勒·瓦格纳 (Tyler Wagner) 是地质勘探局鱼类和野生动物合作研究组助理组长兼渔业生态学兼职教授，获得了农业科学学院的战略网络和倡议计划一级拨款。

通过支持团队的研究工作，该学院认识到宾夕法尼亚州立大学在新兴领域取得进步方面处于独特的地位，该学院研究副院长布莱尔齐格弗里德解释道。

“在宾夕法尼亚州立大学农业科学学院，许多在研究中使用转录组学的教员已经对刚刚发表的论文中概述的所有问题深感兴趣，包括保护和自然资源管理应用，”他说。“我们对这项跨学科、教师驱动的研究计划以及该团队为未来研究开辟的方向感到兴奋。”