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“活化石”植物蘇鐵基因組圖譜發(fā)布:填補種子植物研究空白

劉傳書/科技日報
2022-04-20 14:50
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近日,科學(xué)家完成蘇鐵基因組解析工作,發(fā)布蘇鐵完整基因組圖譜,這意味著種子植物基因組演化研究中的最后一塊拼圖已順利完成。4月18日,《自然-植物》(Nature Plants)以封面文章發(fā)表該研究成果。據(jù)悉,該研究成果數(shù)據(jù)公開共享,全球科學(xué)家可免費下載使用。

蘇鐵是地球上現(xiàn)存最古老的種子植物,是著名的“活化石”植物。它的起源可以追溯到大約3億年前,在侏羅紀時代達到最盛期,曾與恐龍一起稱霸整個地球。

蘇鐵經(jīng)歷過兩次大滅絕、數(shù)輪冰川期等諸多考驗,在這個星球上存活了億萬年,現(xiàn)今卻已處于瀕危邊緣。目前,蘇鐵被世界自然保護聯(lián)盟紅色名錄列為極度瀕危物種,也是我國國家一級重點保護植物。2008年,中國政府主導(dǎo)完成的第一個“珍稀瀕危植物回歸”項目,便是關(guān)于蘇鐵保護。

據(jù)了解,作為最原始的種子植物,蘇鐵被譽為“植物界的大熊貓”。然而,蘇鐵的基因組較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為科學(xué)研究工作增添不少難度?,F(xiàn)存最原始種子植物中,僅蘇鐵分支一直缺少完整的基因組圖譜。

2017年,深圳華大生命科學(xué)研究院(以下簡稱“華大研究院”)啟動萬種植物基因組計劃,旨在推進生物多樣性、進化、生態(tài)保護及各種重要基礎(chǔ)科研和農(nóng)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化問題的研究。同年,華大研究院、深圳市仙湖植物園、中科院昆明植物所聯(lián)合發(fā)起蘇鐵基因組項目。

據(jù)華大生命科學(xué)研究院劉歡研究員介紹,該項目選取蘇鐵類最基部的類群、同時也是中國特有的古老殘遺種-攀枝花蘇鐵作為測序材料,吸引了植物學(xué)領(lǐng)域國際頂級專家加入,最終由國內(nèi)外22個機構(gòu),60多名科學(xué)家共同參與完成,研究成果數(shù)據(jù)公開共享,全球科學(xué)家可免費下載使用。

研究團隊基于現(xiàn)存蘇鐵目339種植物的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),重建了蘇鐵類自身的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,確定了蘇鐵演化的完整歷史。分子鐘分析表明,現(xiàn)存蘇鐵的多樣化同步發(fā)生于距今1100至2000萬年之間,是中新世以來氣候劇烈變化的結(jié)果。

此外,關(guān)于裸子植物的共同祖先是否經(jīng)歷了全基因組加倍事件一直存在爭議。研究發(fā)現(xiàn),伴隨著種子植物起源,許多關(guān)鍵創(chuàng)新性狀如種子發(fā)育、花粉、次生生長相關(guān)的基因家族均發(fā)生了創(chuàng)新或擴張。在種子植物的祖先節(jié)點共發(fā)現(xiàn)663個新獲得的基因家族和368個擴張的基因家族,推斷現(xiàn)存裸子植物的最近共同祖先可能經(jīng)歷了一次古老的全基因組復(fù)制事件。

蘇鐵目系統(tǒng)發(fā)育樹支持現(xiàn)存蘇鐵是輻射演化的結(jié)果

研究還發(fā)現(xiàn),蘇鐵種子的毒性雖限制了蘇鐵的食用功能,但其仍能發(fā)揮出重要的社會效益。研究團隊在攀枝花蘇鐵基因組中發(fā)現(xiàn)一種細胞毒素蛋白基因(fitD),該基因起源于細菌,通過水平基因轉(zhuǎn)移的方式轉(zhuǎn)移到真菌和蘇鐵中?;谔K鐵類339個物種轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)該毒素蛋白只在蘇鐵中存在,且在蘇鐵種子和根部高表達,目前尚未在其他植物中發(fā)現(xiàn)。

深圳仙湖植物園張壽洲教授介紹:“本次發(fā)現(xiàn)的毒性蛋白能夠殺死一些常見昆蟲,如棉鈴蟲、小菜蛾等,目前已通過基因重組技術(shù)將其成功應(yīng)用于棉花,事實證明其殺蟲效率比現(xiàn)有抗蟲棉更高,可在棉花種植中進行推廣。此外,該毒性蛋白的植物性來源,也使其對玉米等農(nóng)作物具有更安全、更高的保護性?!?/p>

a:攀枝花蘇鐵;b:攀枝花蘇鐵雄株和雌株的孢子體

此外,研究團隊還揭露了蘇鐵的性別決定相關(guān)基因,揭示了蘇鐵性別決定的遺傳機制。研究團隊通過對62株雌雄蘇鐵群體(源于四川攀枝花蘇鐵國家級保護區(qū))進行測序分析,在雄株的Y染色體中找到了雌雄表達差異最大的一個基因,該基因編碼一個MADS-box轉(zhuǎn)錄因子,推測其調(diào)控雌雄蘇鐵的性器官發(fā)育。該轉(zhuǎn)錄因子的同源基因也僅能在雄株基因組中檢測到,說明了該性別決定機制在蘇鐵類植物中的保守性。

研究還發(fā)現(xiàn)了蘇鐵種子儲存蛋白中的營養(yǎng)功能、抗菌功能等。

(原標題:“植物界大熊貓”蘇鐵完整基因組圖譜首次發(fā)布)

    責(zé)任編輯:秦藝逍
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