特殊进化地位让鳗草基因组登上Nature封面
2016/02/24
对海洋的开花植物鳗草(Zostera marina)基因组的测序与研究,阐明了海洋藻类如何进化为陆地植物而后又如何回到大海。2月18日Nature分别以封面故事,研究报告和新闻展望三种方式报导了鳗草全基因组测序的分析结果。


对海洋的开花植物鳗草(Zostera marina)基因组的测序与研究,阐明了海洋藻类如何进化为陆地植物而后又如何回到大海。

鳗草(Zostera marina)是一类高度特异化的,有性生殖的海洋开花植物。虽然不是模式植物,但它在进化上发生过重大的栖息地变化,从海洋藻类演变成陆地开花植物,然后再次转移到海里。2月18日Nature分别以封面故事,研究报告和新闻展望三种方式报导了鳗草全基因组测序的分析结果。这项研究标志着来自世界各地35名科学家的8年工作成果,不仅帮助植物学家剖析鳗草的演变,也促进对一般开花植物进化的理解。

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鳗草的进化学和生态学意义

海草很大程度上被进化生物学家们忽视,也许是因为它们在人们的视野之外。但鳗草可以形成巨大的绿色海洋牧场,成为很多生物的庇护所。

尽管在植物进化和生态上都很重要,但鳗草的遗传基因分析直到上世纪90年代才开始,比其它植物如小麦、豌豆和陆生草等晚得多。早期研究是充满了挫折的,它的DNA难以纯化,不同种属中蛋白又有差异。鉴于充满问题的历史,这篇文章的测序结果代表了一个重大的进步。


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基因组序列的变化

完整的基因组序列表明,从平静的淡水湖泊到澎湃的咸水海洋,鳗草失去了几个关键基因群。它失去了所有和气孔相关的基因(植物叶片上的气孔调节气体交换和减少水的损失)。这些孔隙在海草是没有必要的,因为水生植物不容易流失水分,它们吸收溶解的气体直接通过细胞外层。机体也失去了保护其免受紫外线的基因,以及那些在远红光传感中所涉及的基因——这些波长在海岸水域中不能穿透很远。

作为重新回到大海的被子植物,鳗草重新编码细胞壁成分,补上当海藻过渡到陆生植物的失去的基因。这些基因在允许对盐的渗透性调节,促进养分吸收和气体交换的海水环境具有重要的作用。其他的变化包括进化的创新:在盐水中使花粉粘在柱头(雌花花蕊末端),捕捉光线的扩展能力让其在昏暗的近岸海域光合作用。鳗草缺失了挥发性萜类化合物相关基因,该基因编码的蛋白质合成在芳香植物是常见的,但在水环境中却不是有效化合物。

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鳗草的基因组的意义

鳗草的基因组有好几个原因让其很有价值。对于进化生物学家来说,它代表在被子植物演化拼图中所缺的一块。它还提供了丰富的信息,将提高我们对不同的生化途径的理解。例如,鉴定植物耐盐基因的序列。这意味着该植物可以提供一个模型系统,在该系统中可以研究如何调整农业作物到越来越多的盐渍土中。

鳗草适应性很强,从北冰洋海冰下到加利福尼亚州墨西哥湾的酷热中都能生存。它是在温带北半球分布最广的植物。对于海洋生态学家来说,基因组作为强有力的工具揭示的适应性,使植物在各种环境条件下茁壮成长。这种适应能力可能对于环境的变化如:海洋酸化,温暖化等发生在全球的气候变化下生存是至关重要的。众所周知,鳗草种群遗传多样性的分布被干扰后可以很快地恢复,产生更多的生物量和支持动物生存。现在,基因组将有助于研究人员深入研究哪些遗传因素有利于生物量的生产和恢复。

这篇文章基因组测序的壮举可能来得正好及时。海草生态系统正在迅速丧失,在全球以约每30分钟一个美式足球场的速度消失;有些物种和它们相关的动物甚至濒临灭绝。这是由于比如建设码头的人为干扰,沿海水域的过度施肥和水产养殖。,全球各地已经在努力进行海草恢复和保护,对它们基因的理解将促进了解这些迷人的物种如何适应海洋生活,对海草保育活动给予帮助。

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