Nature首次发布海洋被子植物基因组草图

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为了减缓大气中的碳排放,研究人员转向了碳汇——积累和储存碳的储藏所,如热带雨林,也包括各种各样的陆生植物和海洋。然而,另一个鲜为人知、但却非常大的碳汇位于地球的软沙海岸线。

Nature首次发布海洋被子植物基因组草图
Nature首次发布海洋被子植物基因组草图

沿海的海草生态系统覆盖了大约200000平方公里。它们约占全球碳固定的百分之15,而且还影响硫和氮循环。此外,它们作为幼鱼和其他生物的温床,保护海岸线免受侵蚀,并有助于保持水体的清澈。

第一种海洋被子植物基因组
2016年1月27日在《Nature》杂志上发表的一项研究中,一个欧洲团队——包括来自美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)的研究人员,测定了一种海草(大叶藻,Zostera marina)的基因组序列,样本取自芬兰群岛海域。尽管称为海草,但大叶藻并不是真的草类,而是完全淹没在海洋里的开花植物(或被子植物),一个古老单子叶植物家族的成员。为了更好地适应环境,植物返回到咸水环境中,该研究小组将大叶藻的基因组与淡水近缘植物大浮萍 (Spirodela polyrhiza)进行了对比。浮萍的基因组测序和分析是由DOE JGI完成的。

在北半球被发现,大叶藻是第一种被完全测序的海洋开花植物,这项工作是通过DOE JGI的科学项目完成的。作为沿海海洋生态系统中的基础性物种,研究人员非常想了解这一植物——引申开来在生态系统中的其他植物,是如何适应气候变化的。

在适应水下生活的过程中,大叶藻获得了一些基因,可允许它生活在咸水中,但却失去了一些与陆地植物性状相关的基因。该小组很想确定“在大叶藻返回大海后经历重大修改的途径”。

本研究首席作者、荷兰格罗宁根大学的Jeanine Olsen称之为“一个陆地(甚至淡水)物种可能经受的最极端的适应。她解释说,大叶藻已修改了其细胞壁——这是更独特的海藻样特征。并修改了与光传感、植物防御信号、传粉系统和内部水平衡调节相关的基因。大叶藻失去了紫外线保护和各种挥发物(包括萜类,有很多应用的烃类,可作为先进燃料的另一替代源)生产相关的基因。

 

淡水和咸水植物基因组的比较
该研究小组比较了大叶藻和浮萍的基因组,浮萍是最简单的一种开花植物,是已经测序的、与Zostera marina亲缘关系最近的植物。他们注意到,由于对淡水或陆地条件的适应,细胞壁结构相关的基因有所差异。例如,浮萍之类的植物似乎失去了帮助植物将水保存在细胞壁中的基因,而大叶藻则重新获得了这些基因,以更好地应对退潮时的渗透胁迫

Olsen这样描述影响大叶藻的变化:“它们已经重新改造了自己。”虽然多年来,这已知是生化变化,但是,产生这些硫酸多糖用于细胞壁基质的根本途径,与低甲基化果胶(大叶藻素)的扩张相结合,已被科学家们阐明,并且它们带有强大负电荷的本质,被认为有助于保护细胞免于渗透胁迫。作物育种家可能会受益于‘这些植物如何进化出了耐盐性’的见解。”

随着大叶藻草甸从阿拉斯加延伸至加利福尼亚,从白海到葡萄牙南部,Olsen指出,这些生态系统给研究人员提供了“一个天然实验”,来研究植物对温暖或寒冷水域、以及耐盐、海洋酸化和光的快速适应。

了解关于生态-进化相互作用的更多信息,也与基因组学为基础的早期预警指标的发展有关,可能预示着海草生态系统崩溃。DOE JGI植物项目负责人Jeremy Schmutz强调,虽然大叶藻是沿海海洋生态系统功能中的关键角色,并被认为是“海洋的肺”,它们也濒临着灭绝。他说:“据估计,全世界有近三分之一的大叶藻草甸被径流破坏进入海洋,从而降低了它们作为碳汇的潜在能力。因此,研究大叶藻的适应能力,是协助保护工作刻不容缓的事情。”

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