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哈佛大学最新研究 | 丢失半数基因,大花草囊括多项植物王国之最

已有 827 次阅读 2021-1-24 08:39 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

绝大多数植物通过光合作用实现自养,而寄生植物则通过寄主获得生命所需的水和养分。


北京时间2021年1月23日凌晨0时,Current Biology在线发表了美国哈佛大学关于首个内寄生植物寄生花Sapria himalayana Griff.的进化基因组学研究,阐明了寄生习性导致的大规模基因缺失和水平基因转移现象。


哈佛大学进化生物学系Charles C. Davis教授和生物信息学实验室Timothy B. Sackton博士为该文共同通讯作者,博士生蔡黎明为第一作者。


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寄生花是我国境内唯一的大花草科植物,仅在西双版纳有零星分布。大花草科约含36个物种,全部寄生于葡萄科崖爬藤属(Tetrastigma)植物,开花时散发类似于腐肉的恶臭气味吸引蝇类为其传粉。该类群植物茎、叶、根完全缺失,在开花之前仅以类似于“菌丝”的形式存在于宿主体内,却能孕育直径超过一米的艳丽花冠,代表了植物界最为极端的一种寄生方式。


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寄生花野外生境(Chaton Chokpatara CC BY4)

 

极端的形态学特征暗示了大花草非比寻常的基因组结构。该研究发现,寄生花代表了植物界迄今为止最大规模的基因缺失,包括叶绿体基因组在内的多达44%的保守基因因积累大量突变而退化成假基因或随染色体重组被完全移除。


此外,比较基因组学分析还首次系统性阐明了寄生花、 菟丝子和独脚金这三种独立进化的寄生植物在基因缺失方面存在显著的趋同。“基因组水平的趋同信号证明植物寄生习性进化或许存在统一的遗传蓝图。”论文指出。


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寄生植物的基因缺失现象呈现趋同进化的趋势。独脚金、菟丝子和寄生花在根茎叶发育、养分代谢、应激反应和光合作用四个方面均存在基因缺失,缺失的规模与寄生程度正相关。

 

与惊人的基因缺失相对应的却是基因组的急剧膨胀。寄生花3 Gb的基因组大小与500 Mb左右的近缘物种形成鲜明的对比,科内的大花草Rafflesia甚至达到了罕见的25 Gb。该研究发现,寄生花多达90%的序列是由高度重复的转座子组成,为基因组组装带来了巨大挑战。“就如同还原一张由百万片完全相同的拼图组成的图片”,Davis教授指出。


最后,该论文通过对寄生花和宿主间水平基因转移的系统发育学研究创造性的揭示了大花草科植物祖先宿主转移的现象。寄生植物除了盗取宿主的养分以外,还窃取宿主基因,这一现象被称为“水平基因转移”。这些基因包含了关于宿主的遗传信息,如同“DNA化石”一般永久记录了大花草科进化历史各个阶段的寄生关系。


大花草科36种植物无一例外地寄生于崖爬藤,然而起源于白垩纪的大花草科却比起源于始新世的崖爬藤早约三千万年。研究发现,大花草科的祖先寄生于葡萄科另一类广泛分布于亚洲和美洲的藤本植物蛇葡萄Ampelopsis,而不是现有宿主崖爬藤。


“寄生花的基因组仿佛一片巨型的基因墓地,埋葬了来自不同时期寄主的基因片段,这些序列如同墓志铭一般忠实记录了寄主的遗传信息。在没有化石证据的条件下,解读这些水平转移的基因使我们有机会了解这些珍奇植物的前世今生。”该文的第一作者蔡黎明评论道。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.12.045




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