活化石基因组揭秘

2019-08-22 308裸子植物银杏

今天发表在开放获取期刊GigaScience上的一篇文章介绍了现存最古老的树种银杏的基因组序列。这项研究是由华大基因、浙江大学和中国科学院的一组科学家进行的,他们处理并分析了一个异常巨大的基因组,总计超过100亿个DNA“字母”。银杏被认为是一种“活化石”,这意味着它的形态和结构自它首次出现以来的2.7亿年里变化甚微。鉴于银杏作为一种长寿物种,在生命进化树中具有独特的地位,银杏基因组将为研究植物对昆虫和病原体的防御,以及调查树木进化和整体进化中的早期事件提供广泛的资源。

活化石基因组揭秘

挑战超大基因组测序

为了在基因和分子水平上研究银杏非凡的生物学特性,对其基因组进行测序是植物生物学家的首要任务。然而,由于它的大小以及存在大量的重复序列,组装整个基因组序列将是一项艰巨的任务。银杏的基因组超过10Gb,是拟南芥“模型植物”基因组的80倍。这种树的基因组也比其他已知的基因组非常大的植物物种要大,比如玉米或兰花。然而,对银杏的历史和生物学的极大兴趣,使基因组测序和组装工作成为来自中国的研究人员感到值得接受的挑战,他们成功地完成了这项工作。

华大基因的Wenbin Chen解释了他们必须克服的一些困难:“产生了大量的原始数据(~ 2TB),基因组组装的计算能力受到了巨大数据和重复序列比例极高的挑战。所以需要惊人的内存。”他接着强调了几个基因组特征:“银杏大基因组可能是由于全基因组复制和插入的重复序列比例极高,至少占76.58%,在所有已测序的物种中,由于转座因子的插入,内含子最长。”

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研究意义

为了各种各样的原因,迎接测序的挑战是值得的。其中之一当然与它作为“活化石”的地位有关,包括马蹄蟹和诺第留斯号在内,几乎没有其他物种和它有同样的名称。作为至少2.7亿年前出现的一组极不寻常的非开花植物中唯一幸存下来的代表,银杏在数百万年的时间里保留了一些特征,比如具有象征意义的扇形叶子,这些特征在其他任何幸存的植物物种中都没有发现。它在植物进化树中占有非常独特的地位。

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进化地位

来自浙江大学的Yunpeng Zhao教授是该研究报告的作者之一,解释了研究人员对这种进化位置的极大兴趣。“银杏是现存的五种种子植物之一,没有现存的亲缘关系。这样的基因组填补了陆地植物的主要系统发育空白,并为解决裸子植物谱系的系统发育关系等进化问题提供了关键的遗传资源,陆地植物基因组和基因的进化,发育性状的创新,性别的进化以及人口和分布的历史,银杏的抗性和保护。”

逆境抗压

研究人员还对银杏在逆境中的抗压能力很感兴趣——值得注意的是,银杏树是广岛原子弹爆炸中幸存下来的为数不多的生物之一。据报道,这种抗寒性可能有助于银杏在中国的冰期存活下来,而冰期导致许多其他物种死亡,也可能会延长单株银杏的寿命,有些甚至能活到几千年。银杏还能抵御各种各样的攻击,使用化学武器来对付昆虫、细菌和真菌。

为了更好地理解银杏的防御系统,作者分析了基因组中已知的在抵御攻击中发挥作用的基因序列。对这棵树的4万多个预测基因的初步分析显示,这些基因家族的广泛扩张提供了多种防御机制。能够抵抗病原体的基因经常被复制。此外,银杏通过合成直接对抗昆虫的化学物质和释放出易挥发的有机化合物,在对抗昆虫方面具有双重打击作用。这些发现表明,银杏具有多种机制——基因家族的扩大、特定基因的高剂量以及防御基因的多功能性——可能与银杏非凡的韧性有关。这些信息可能有助于理解植物防御系统,从而提高粮食安全。

引用

GigaScience. "Living fossil genome unveiled." ScienceDaily. ScienceDaily, 21 November 2016.
www.sciencedaily.com/releases/2016/11/161121175806.htm.

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