研究人员首次发表蝎子基因组
康涅狄格大学的一个研究小组与西康涅狄格州立大学的卡洛斯·桑蒂巴涅斯·洛佩兹合作，生成了沙漠毛蝎的第一个染色体水平基因组。沙漠毛蝎是北美莫哈韦沙漠和索诺兰沙漠的标志性居民，也是该大陆上发现的最大蝎子。虽然已知的蛛形纲动物有超过 100,000 种，但迄今为止的基因组研究主要集中在两类——蜘蛛和蜱虫——而对蝎子的基因组研究主要涉及庞大的 Buthidae 家族。康涅狄格大学研究小组对亚利桑那蝎（Hadrurus arizonensis）进行了研究，这种蛛形纲动物独居且在夜间活动，体长可达六英寸，详细描述了亚利桑那蝎科中一种体型较小的蝎子的第一个基因组。他们的工作也是首次对蝎子和蝎子科中的任何一种进行染色体水平的基因组组装——有助于填补蝎子基因组知识的关键空白，揭示蛛形纲动物的进化发展和多样化，并推动比较和功能基因组学的研究。该团队在 2024 年 5 月的《基因组生物学与进化》杂志上发表了他们的研究成果。但与这项史无前例的基因组研究成果的发表同样引人注目的可能是研究团队本身——一群来自不同领域的学者，他们参加了密集的本科后项目，去年他们在斯托尔斯接受了实践技能的速成课程，同时也努力在研究领域找到自己的位置。“多样化体验”虽然康涅狄格大学国家科学基金会支持的“学士后研究与指导”项目（RaMP）第一批八名学者都有自己独特的兴趣，但他们在完成本科学习后（一些在康涅狄格大学，一些在其他地方）加入该项目的原因却大体相同，他们希望在 2023 年春季加入该项目。詹妮弗·圣地亚哥·梅姆布雷尼奥 (Jennifer Santiago Membreño) 和阿维尔·罗德里格斯 (Aviel Rodriguez) 都毕业于波多黎各大学，飓风玛丽亚和 COVID-19 疫情造成的巨大破坏限制了她们在本科期间获得宝贵研究经验的能力。“那是一段相当动荡的时期，”圣地亚哥·梅姆布雷尼奥说。“生活一直处于停滞状态。”就读于巴克内尔大学的塞缪尔·普林 (Samuel Pring) 对 RNA 研究很感兴趣，但在宾夕法尼亚州的一所小型学院里上课和扩大研究力度的机会较少。与许多本科生一样，Adam Glendening (CLAS) ’23 和 Carolina Jara (CLAS) ’23 都必须边上学边工作，因此他们没有太多时间进行研究和独立项目。“毕业后，我发现很多地方并不把园林绿化作为实地工作经验，”格伦登宁说。塞缪尔·希利曼 (Samuel Hilliman) ‘23（CLAS）在康涅狄格大学学习期间对研究产生了兴趣，但并没有获得发展自己兴趣所需的实践经验。毕业于堪萨斯大学的梅里迪亚·简·布莱恩特 (Meridia Jane Bryant) 发现，在本科转行后，她的生活和研究兴趣发生了变化——她想转换方向，更多地关注生物信息学，但没有这方面的经验。当 Asher Coello (CLAS) (23 届) 从地区校园转学到康涅狄格州大学斯托尔斯分校时，他很难进入研究界。“我一直只是在书本上，”科埃洛说。“我从来没有真正在实验室里做过东西。”他们的故事对于康涅狄格大学生态与进化生物学系教授、康涅狄格大学 RaMP 首席研究员和首席导师伊丽莎白·乔库施 (Elizabeth Jockusch) 来说并不陌生。“我们是一所研究型大学，”Jockusch 说道，“这里有研究机会。然而，我们看到很多学生无法利用这些机会，因此很明显，我们的需求非常大。”“这个项目吸引我的原因——我们把大家聚集在一起并起草这项拨款计划的原因——本质上是因为我们看到了学生们的需要。”2022 年，Jockusch 和一支教师合作团队从美国国家科学基金会生物科学 RaMP 计划获得了近 300 万美元的资助，该计划邀请提交提案，以建立支持全职研究、指导和培训的网络，面向在大学期间几乎没有或根本没有研究或培训机会的应届大学毕业生。NSF 资助计划的目标之一是通过招募和培训个人，让他们能够在生物科学领域获得一系列潜在的职业发展机会，从而支持具有全球竞争力和文化多样性的 STEM 劳动力。“这可能有点夸张，但感觉这是最后一次机会，可以吸引人们进入 STEM 教育渠道，”Jockusch 说。“如果你毕业后从事的是园林绿化工作，因为那是你挣钱的方式，那么找到这样的工作就难多了。所以，你可以来这里，用一年时间积累这些不同的经验，然后就可以继续学习了。”RaMP 学者无需具备实验室经验，并且 NSF 资助最终将支持康涅狄格大学连续三年的 RaMP 团队。“宝宝游泳了”首批八名学者于 2023 年 8 月开始工作，该计划没有调整或放松期。“我一直使用的最喜欢的比喻是，我感觉自己就像基督教青年会 (YMCA) 里被扔进游泳池的婴儿之一，”科埃洛说。“因为它看起来很可怕，而且可能当时确实如此。但是，婴儿会游泳。”在 RaMP 项目实施的第一个月内，该群体成功组装了他们的第一组 DNA 序列。他们很快就学会了如何处理样本和提取 DNA。他们学会了如何进行高通量测序和组装基因组。他们学会了如何注释基因组，找到单个基因的位置。他们参加了生物信息学速成班，这是一门融合了生物学和计算机科学的学科。除了新学到的实验室技能外，学者们还学习了对未来研究成功至关重要的软技能。他们学习了时间管理、优先安排任务和工作量、做大量笔记以及建立人际网络的重要性。他们在附属教职实验室以及蝎子基因组测序小组项目中开展了自己的项目。Hilliman 和 Pring 都在 Yuan 实验室工作，Pring 正在研究花朵结构的进化，特别是双侧花朵对称性是如何进化的，而 Hilliman 则致力于利用基因工程来控制花朵的色素沉着。在乔库施的实验室里，科埃洛正在研究巨型马利筋虫（Oncopeltus fasciatus）的遗传新颖性——试图关闭某些基因，看看它会产生什么作用以及在遗传上有何意义——而布莱恩特正在构建一个程序来帮助识别新基因。“那些基因起源于你感兴趣的任何群体——考虑开发一个程序来帮助人们找到它们，这样他们就可以自己研究它们是什么以及它们在做什么，而不需要首先经历所有的生物信息学步骤来找到它们，”布莱恩特说。“因为真的没有任何东西可以做到这一点。”在 Wegrzyn 实验室，Jara 正在研究两种树种（美国山毛榉和灰胡桃）的抗病性，而 Glendening 则在研究一种影响铁杉树的入侵害虫——铁杉绵蚜。Santiago Membreño 在 Kanadia 实验室的工作涉及了解小剪接体的作用。而在 O'Neill 实验室，Rodriguez 正在研究染色体和组装基因组，特别是麂（一种鹿）和小袋鼠（一种与袋鼠相似的小型有袋动物）。被扔进游泳池深水区不到一年，学者们就都游泳了。“从零开始”他们提交有关沙漠毛蝎基因组组装的论文后不到三个月，论文不仅被接受，而且还发表了。“一旦这个想法真正实现，我们发表了文章，并且它很快就被接受了，我就感觉‘哇！’”科埃洛说。“我给妈妈打了电话，”格伦登宁说。“我们只是碰巧写了一篇精彩的论文，”布莱恩特说。该团队目前正在撰写第二篇更长的论文，他们的一年期项目将于 7 月结束。他们每个人都通过各自的项目学习了新技能，并为小组工作带来了新的专业知识——这是他们的导师自项目开始以来看到的变化。“一开始，好像每个人都在尽力做自己的事情，”约库施说，“但现在，我看到他们经常互相帮助解决彼此的问题。”“一开始导师们只是在讲，我们只是在展示，现在他们开始实践，”生态学和进化生物学副教授、RaMP 项目导师 Jill Wegrzyn 说道。“看到大家在一年内学到这么多东西，我感到非常欣慰，这也是我作为该项目的一部分所真正享受到的。看到项目从实验室进展到相当复杂的生物信息学，将这些基因组整合在一起，真的很酷。”“我们玩得很开心。”虽然大多数学生仍在考虑完成 RaMP 课程之后的下一步计划，但这次经历帮助他们打开了在他们完成本科学习时看似关闭的大门。“对于我们的项目，我们都从零开始，直到现在，”普林说。“我们真的了解了整个过程的每个部分——从将 DNA 放入测序仪到组装基因组。对我来说，看到每一步是什么样的感觉很好，尤其是当我们正处于试图找出我们想要走哪条路的阶段时。“完整的经历确实帮助我塑造了我想要承担的事情。”
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