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探索韧性植物的进化沙漠植被“基因金矿”值得挖掘

2021-11-02 09:35:25 来源：科技日报

一个国际科研小组研究了能在地球上最恶劣环境之一——智利阿塔卡马沙漠生存的植物，确定了与其适应能力相关的基因。这一论文发表在美国《国家科学院院刊》上，研究结果可能有助于科学家培育出能在日益干旱的气候中茁壮成长的韧性作物。

共同领导这项研究的纽约大学生物系暨基因组学和系统生物学中心卡罗尔·彼得里教授说：“在气候变化加速的时代，揭示遗传基础以在干旱和营养贫乏的条件下提高作物产量和恢复力至关重要。”

该研究展现了植物学家、微生物学家、生态学家、进化和基因组科学家之间的国际合作。这种独特的专业知识组合使团队能够识别出植物、相关微生物以及使阿塔卡马植物适应极端沙漠条件并茁壮成长的基因，这最终可能有助于促进作物生长，减少粮食不安全。

智利天主教大学分子遗传学和微生物学系教授古铁雷斯说：“我们对阿塔卡马沙漠植物的研究与世界各地日益干旱的地区直接相关，干旱、极端气温以及水和土壤中的盐分等因素，对全球粮食生产构成了重大威胁。”

在地球最干燥的地方建“天然实验室”

智利北部的阿塔卡马沙漠夹在太平洋和安第斯山脉之间，是地球上最干燥的地方(不包括两极)。然而，那里生长着数十种植物，包括草、一年生植物和多年生灌木。除了有限的水之外，阿塔卡马的植物还必须应对高海拔、土壤中养分可用性低以及极高的阳光辐射。

智利研究团队历时10年在阿塔卡马沙漠建立了一个无与伦比的“天然实验室”。在该实验室中，他们收集并表征了沿塔拉布雷—莱贾横断面的不同植被区和海拔(每100米海拔)的22个地点的气候、土壤和植物。通过测量各种因素，他们记录了昼夜波动超过50摄氏度的温度、非常高水平的辐射、缺乏养分的土壤(主要是沙子)以及极少的降雨(大部分年降雨都在几天之内完成)。

使用基因组学探索韧性植物的进化

智利研究人员将保存在液氮中的植物和土壤样本带回1600公里外的实验室，对阿塔卡马地区32种优势植物中表达的基因进行测序，并根据DNA序列评估与植物相关的土壤微生物。他们发现，一些植物物种在其根部附近发育出促进生长的细菌，这是一种优化氮摄入的适应性策略，氮是阿塔卡马贫氮土壤中对植物生长至关重要的营养素。

为了确定其蛋白质序列在阿塔卡马物种中适应的基因，纽约大学研究人员使用一种称为系统基因组学的方法进行了分析，该方法旨在使用基因组数据重建进化历史。他们将32种阿塔卡马植物的基因组与32种未适应但基因相似的“姐妹”物种以及几个模型物种的基因组进行了比较。

研究人员表示，他们的目标是，使用这种基于基因组序列的进化树，来识别在支持阿塔卡马植物适应沙漠条件的进化基因中，氨基酸序列编码的变化。

新研究利用纽约大学高性能计算集群进行了分析。这种计算密集型基因组分析涉及比较70多个物种的1686950个蛋白质序列。研究人员使用生成的8599764个氨基酸的超级矩阵来重建阿塔卡马物种的进化史。

该研究确定了265个候选基因，其蛋白质序列变化是由多个阿塔卡马物种的进化力量选择的。这些适应性突变发生在植物适应沙漠条件的基因中，包括与光和光合作用相关的基因，这可能使植物适应阿塔卡马的极端强光辐射。同样，研究人员发现了参与调节应激反应、盐分、解毒和金属离子的基因，这可能与这些阿塔卡马植物适应压力大、营养贫乏的环境有关。

从“基因金矿”中学到什么

大多数关于植物应激反应和耐受性的科学知识，都是通过使用少数模型物种，在传统实验室研究获得的。此类分子研究虽然有益，但可能忽略了植物进化的生态背景。

智利天主教大学古铁雷斯实验室的薇薇安娜·阿劳斯说：“通过研究其自然环境中的生态系统，我们能够识别出面临共同恶劣环境的物种之间的自适应基因和分子过程。”

古铁雷斯表示：“我们在这项研究中表征的大多数植物物种以前都没有被研究过。由于一些阿塔卡马植物与谷物、豆类和马铃薯等主食作物密切相关，因此我们确定的候选基因代表了一个‘基因金矿’，可用来设计更具韧性的作物。鉴于我们星球的荒漠化程度加剧，这是必要的。”(记者张梦然)

标签：设计作物沙漠植被基因金矿韧性植物