科学家在地球上最恶劣环境之一发现植物生存的“基因金矿”

一个国际研究小组确定了跟地球上最恶劣环境之一--智利的阿塔卡马沙漠中的植物生存有关的基因。他们的研究结果发表在《Proccedings of the National Academy of Science》上，这可能有助于科学家培育出能在日益干燥的气候中茁壮成长的、具有弹性的作物。

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纽约大学(NYU)生物系和基因组学与系统生物学中心的Carroll & Milton Petrie教授Gloria Coruzzi表示：“在一个气候变化加速的时代，揭开遗传基础以提高作物生产和在干燥和营养贫乏条件下的复原力是至关重要的。”据悉，他跟Rodrigo Gutiérrez共同领导了这项研究。

这项研究是植物学家、微生物学家、生态学家、进化和基因组科学家之间的一次国际合作。这种独特的专业知识组合使该团队得以确定让阿塔卡马植物能适应极端沙漠条件并在其中生长的植物、相关微生物和基因，这最终可能有助于提高作物生长和减少粮食不安全。

智利天主教大学分子遗传学和微生物学系教授Gutiérrez说道：“我们对阿塔卡马沙漠植物的研究跟世界各地正变得越来越干旱的地区直接相关，干旱、极端温度及水和土壤中的盐分等因素对全球粮食生产构成重大威胁。”

在地球上最干燥的地方之一建立一个“自然实验室”

智利北部的阿塔卡马沙漠夹在太平洋和安第斯山脉之间，是地球上最干燥的地方（不包括两极）。然而，那里生长着几十种植物，其中包括草、一年生植物和多年生灌木。除了有限的水之外，阿塔卡马的植物还必须应对高海拔、土壤中可利用的营养物质少及极高的阳光辐射。

智利研究小组在阿塔卡马沙漠建立了一个无与伦比的“自然实验室”，历时10年，他们在Talabre-Lejía Transect横断面不同植被区和海拔高度（每100米的海拔高度）的22个地点收集并描述气候、土壤和植物的特征。通过测量各种因素，研究人员们记录了从白天到晚上波动超50度的温度、非常高的辐射水平、主要是沙子和缺乏养分的土壤、极少的雨水、大部分在几天内下降的年降雨量。

利用基因组学探索有弹性的植物的进化

智利的研究人员将保存在液氮中的植物和土壤样本带回实验室、对阿塔卡马地区32种主要植物物种中表达的基因进行测序并根据DNA序列评估跟植物相关的土壤微生物。他们发现，一些植物物种在其根部附近发展了促进生长的细菌，这是一种适应性策略，以优化氮的摄入--在阿塔卡马贫氮土壤中对植物生长至关重要的营养物质。

为了确定蛋白质序列在阿塔卡马物种中的适应性基因，纽约大学的研究人员接下来使用了一种叫做系统发育组学的方法展开了分析，该方法旨在利用基因组数据重建进化历史。在跟纽约植物园的同事协商后，他们将32种阿塔卡马植物的基因组跟32种非适应性但基因相似的“姐妹”物种以及几个模型物种进行了比较。

“目标是利用这个基于基因组序列的进化树来确定支持阿塔卡马植物适应沙漠条件的进化的基因中编码的氨基酸序列的变化，”Coruzzi说道。

“这种计算密集的基因组分析涉及到比较70多个物种的1686950个蛋白质序列，”Gil Eshel表示，“我们利用由此产生的8599764个氨基酸的超级矩阵对阿塔卡马物种的进化历史进行系统发育重建。”据悉，他利用NYU的高性能计算集群进行了这项分析。

该研究确定了265个候选基因，这些基因的蛋白质序列变化是由多个阿塔卡马物种的进化力量选择的。这些适应性突变发生在可能成为植物适应沙漠条件的基础的基因中--其中包括涉及对光和光合作用反应的基因，这可能使植物适应阿塔卡马的极端高光辐射。同样，研究人员还发现了参与调节应激反应、盐、解毒和金属离子的基因，这可能跟这些阿塔卡马植物适应其压力大、营养贫乏的环境有关。

我们可以从这个“基因金矿”中学到什么

有关植物胁迫反应和耐受性的大部分科学知识是通过使用少数模型物种的传统实验室研究产生的。虽然有好处，但这种分子研究可能错过了植物进化的生态环境。

Gutierrez实验室的智利天主教大学的Viviana Araus指出：“通过研究自然环境中的生态系统，我们能在面临共同严酷环境的物种中识别出适应性基因和分子过程。”

Gutiérrez则表示：“我们在这项研究中表征的大多数植物物种以前都没有被研究过。由于一些阿塔卡马植物跟主食作物密切相关，包括谷物、豆类和马铃薯，我们确定的候选基因代表了一个基因金矿，其可以设计出更有弹性的作物，鉴于我们星球的荒漠化加剧，这是一个必要条件。”

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