科学家们知道，一些信使rna——携带遗传密码到生物体的蛋白质制造机制——正在从根到芽的旅程中。但他们不知道数千条基因链中有哪些是有意在器官系统之间共享遗传信息的。
这是一个关键的问题，特别是当涉及到植物嫁接时。这就是移动mRNA可以用来在器官系统中传递信号，并帮助改变植物对环境压力的反应。
玛格丽特·弗兰克她是农业与生命科学学院综合植物科学学院的植物生物学助理教授，正在通过开发一个模型来观察mRNA在植物系统中的实时运动来解决这个问题。
美国国家科学基金会最近授予弗兰克一项为期五年，价值130万美元的教师早期职业发展计划资助，以表彰她的提案，“利用植物移动组来预测、设计和传递植物中的长距离rna”。
Frank将使用计算分析将信号从噪声中分离出来，并确定特定mRNA在长距离信号传递中的作用，希望最终设计出一种使用mRNA在嫁接植物系统中传递目标信息的方法。
弗兰克说:“更好地理解mrna是如何通过植物传递的，以及它们转化为信号的潜力，这有很大的潜力。”“其中一个不切实际的目标是能够嫁接到供体分支上，例如，根据温度迅速改变(作物的)开花时间，根据气候变化，这将非常有影响。”
然而，科学家们对mrna的大部分了解仅限于它们在单个细胞内将DNA翻译成表达蛋白的作用。弗兰克的项目将远距离观察移动的mRNA，以了解在不同物种的不同器官之间传递的遗传信息(如果有的话)——在这种情况下，是茄子和西红柿。
弗兰克说:“这些基因组的差异很大，我们几乎可以追踪茄子和番茄产生的所有rna，并在基因组尺度上观察哪些rna从根转移到芽，哪些从芽转移到根。”
弗兰克的实验室已经证明了这两个物种是嫁接相容的。现在，他们正在为孟加拉国农业研究所的一个茄子品种生成参考基因组，这不仅将用于这项研究，而且还将使世界各地的植物育种家受益。(番茄的参考基因组已经存在。)
该项目的第二部分包括创建一个实时成像系统，以监测mrna在嫁接植物脉管系统中的运动。弗兰克的团队将在每天的周期和发育时期跟踪数千个mrna，从植物生命周期的早期到生殖发育。
为了监视如此多的运动部件，Frank的团队将使用荧光成像来标记mrna，以监测它们的实时运动。然后，为了确保追踪的准确性，研究人员将收集组织样本，并使用一种名为RNA PAINT的技术来确定不同的茄子和番茄mRNA链是如何在嫁接的植物中移动的。
“RNA PAINT可以让你在非生命组织中绘制RNA转录本，”弗兰克说。“所以你可以收集组织，然后看看rna在亚细胞水平上的位置。”
通过实时跟踪、组织采样和生物信息学的结合，该团队应该能够在基因组尺度上确定mRNA运动是否与被动波动有关，或者是否采取了更有针对性的方法。如果后者是正确的，那么Frank就解开了mRNA在植物系统中作为长距离信号载体的谜团。
该项目的最后阶段将为mRNA建立一个靶向传递系统，使其通过移植物连接并将遗传信息沉积到其他物种的器官系统中。通过识别现有mrna的移动特征，研究人员希望激活其他mrna中的远程信号机制，并对它们进行编程，以传递特定的DNA转录本。
当世界各地的农民试图应对来自昆虫、疾病和不断变化的天气模式的新威胁时，植物育种家可以利用这些技术在当前时间的一小部分内培育出更具弹性的品种。
弗兰克说:“你可以想象迅速调整根系以更好地清除养分或避免土壤中的有毒元素。”“希望他们能利用这些基因组资源，在未来做更多有针对性的工程。”
康奈尔研究开发团队与弗兰克一起完善了她的提案，并与国家科学基金会的项目官员联系。
“我做的一件事是帮助教师与联邦机构定位，这样他们就能发展关系，找到自己的利基，为长期成功定位，”研究发展主任约瑟芬·马泰尔(Josephine Martell)说。“作为一名新教员，如果你能与正确的联邦资助机构建立关系，它将成倍增加你拥有成功研究生涯的机会。”
2019年5月，Frank与研究开发团队一起前往华盛顿特区，这是他们每年春季和秋季提供的格兰特研究员系列研讨会的一部分。
弗兰克说:“我实际上在国家科学基金会的拨款小组工作，并了解了很多关于提交拨款的关键审查过程。”“这真的很有帮助。”
专为早期职业教师设计奖助人工作坊系列为制定准备审查的提案提供指导。该团队还提供了一个有针对性的NSF职业系列研讨会，以准备教师的最终提交。
弗兰克指出，研究发展团队也提供了宝贵的支持，以发展她的国家科学基金会赠款的外展部分。她最初的计划是与博伊斯·汤普森研究所的本科生研究人员合作，在伊萨卡社区开展实际的外展项目。当COVID-19限制了直接外展的可能性时，弗兰克与伊萨卡儿童花园合作在他们的虚拟学习平台上，制作并分发植物工具包，供当地学童在家使用。
NSF资助的合作者包括Umair Ahsan，他曾是Frank实验室的博士后研究员。其他合作伙伴包括加州大学伯克利分校的研究人员;密歇根州立大学;特拉华大学;孟加拉国农业研究所;哈德逊阿尔法生物技术研究所;以及英国南安普顿大学
标题图片:植物生物学助理教授玛格丽特·弗兰克(Margaret Frank)获得了美国国家科学基金会130万美元的资助，用于研究信使RNA通过嫁接植物系统的实时运动。图片:Allison Usavage。
Jana Wiegand是农业和生命科学学院的编辑内容经理。
