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科学家破译菟丝子基因组密码 揭开寄生植物“身
日期:2019-08-10

  7月13日,我国科学家成功破译了寄生植物南方菟丝子的全基因组密码,发现它在进化中经历了大规模基因丢失事件,这些丢失的基因与其特殊的植物形态和生活方式有关。

  论文通讯作者、中科院昆明植物研究所研究员吴建强介绍,在自然界中,绝大部分植物都是通过叶片的光合作用、根部吸收水分及养分维持生存,这些植物被称作“自养植物”。寄生植物则是通过叫作“吸器”的器官从自养植物上获取养分。人们常会看到一些淡黄色或绿色的藤状、没有叶片和根的植物,缠绕在自养植物上,这就是寄生植物中常见的“菟丝子”。

  吴建强团队用一年半时间成功破译了南方菟丝子的全基因组密码,揭开了寄生植物起源和演化的“身世”。“菟丝子属植物与番薯属植物是近亲,它们共同的祖先生活在约3300万年前,之后菟丝子开始快速进化,并经历了剧烈的基因丢失事件。”吴建强说。

  研究者用精确的生物信息学分析法,对南方菟丝子的基因丢失进行了系统分析,结果发现自养植物中约11.7%的基因在菟丝子基因组中全都不见了。这些丢失的基因大多与光合作用、根和叶的功能发育等相关。

  “有趣的是,南方菟丝子还丢失了重要的开花决定基因。这很可能与菟丝子根和叶片的退化相关。”吴建强说。

  自然界绝大部分植物都通过叶片的光合作用和根部的水分和营养吸收维持自养生存,而寄生植物则是一类通过寄生在自养植物上获取能量和营养的植物。寄生植物独特的起源、演化和特殊生理生态长期以来吸引着研究者的目光。旋花科茎寄生植物菟丝子寄生行为在实验室中方便控制和观察,近年来已成为许多探索寄生植物生理生态和进化生物学的重要研究对象。为了解密菟丝子属植物的演化,同时也为以菟丝子为模型的寄生植物生理生态研究提供重要资源和基础,近日,中国科学院昆明植物研究所功能基因组学与利用团队吴建强研究组,以南方菟丝子(Cuscuta australis)为对象(图1),通过全基因组和转录组测序,获得了首个寄生植物高质量参考基因组。研究组通过比较基因组学、分子进化等分析获得了大量信息,为了解寄生植物的演化、寄生植物与寄主间的互作提供了重要基础。

  吴建强研究组利用纯三代测序技术获取了高质量南方菟丝子参考基因组,结合基因系统发育分析与共线性分析,发现菟丝子属与番薯属植物的共同祖先在约750万年前分化前经历了一次全基因组三倍化加倍事件(图2),之后菟丝子经历了快速进化以及大规模的基因丢失。研究者设计了一套严格而精确的生物信息学分析方法对菟丝子全基因组基因丢失事件进行了系统分析,发现自养植物中保守的基因约11.7%在菟丝子基因组中发生了丢失。丢失基因大部分与光合作用、根和叶的功能与发育、植物抵御逆境与胁迫和基因的转录调控等相关。非常有趣的是菟丝子基因组中还丢失诸如FLC、FRI87654品特轩高手之家香港赛马会,SVP、AGL17和CO等重要的开花决定基因(图3)。这些在自养植物中非常重要的基因在菟丝子中的丢失很可能和它根和叶片的退化相关。菟丝子的寄生习性离不开其特有器官吸器的演化。研究者发现约三分之一的吸器高表达基因与自养植物根的高表达基因相同。结合转录组数据、基因选择压力分析和基因家族扩张分析,该研究中找到了一系列可能与吸器功能和发育相关的基因。其中大量基因功能集中在营养获取和细胞壁分解中,包括果胶酯酶、丝氨酸羧肽酶和各种转运蛋白,此外另有大量无法注释功能的新基因有待进一步的研究。

  图2.菟丝子属与番薯属植物在祖先分化前约750万年前共同经历了一次全基因组三倍化加倍事件

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