近日，深圳華大聯(lián)合多家科研單位完成蘇鐵基因組解析工作，發(fā)布蘇鐵完整基因組圖譜，這意味著種子植物基因組演化研究中的最后一塊拼圖已順利完成。4月18日，《自然-植物》（Nature Plants）以封面文章發(fā)表該研究成果。據(jù)悉，該研究成果數(shù)據(jù)公開共享，全球科學(xué)家可免費(fèi)下載使用。
Nature Plants官網(wǎng)截圖
蘇鐵是地球上現(xiàn)存最古老的種子植物，人們常說的“鐵樹開花”中，鐵樹的學(xué)名便是蘇鐵，具有極其重要的科學(xué)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，蘇鐵的基因組較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為科學(xué)研究工作增添不少難度。現(xiàn)存最原始種子植物中，僅蘇鐵分支一直缺少完整的基因組圖譜。
攀枝花蘇鐵基因組特征
2017年，深圳華大生命科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“華大研究院”）啟動(dòng)萬種植物基因組計(jì)劃，旨在推進(jìn)生物多樣性、進(jìn)化、生態(tài)保護(hù)及各種重要基礎(chǔ)科研和農(nóng)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化問題的研究。同年，華大研究院、深圳市仙湖植物園、中科院昆明植物所聯(lián)合發(fā)起蘇鐵基因組項(xiàng)目。
據(jù)華大生命科學(xué)研究院研究員劉歡介紹，該項(xiàng)目選取蘇鐵類最基部的類群、同時(shí)也是中國特有的古老殘遺種——攀枝花蘇鐵作為測(cè)序材料，吸引了植物學(xué)領(lǐng)域國際頂級(jí)專家加入，最終由國內(nèi)外22個(gè)機(jī)構(gòu)，60多名科學(xué)家共同參與完成。
a圖為攀枝花蘇鐵；b圖為攀枝花蘇鐵雄株和雌株的孢子體
研究團(tuán)隊(duì)基于現(xiàn)存蘇鐵目339種植物的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，重建了蘇鐵類自身的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，確定了蘇鐵演化的完整歷史。分子鐘分析表明，現(xiàn)存蘇鐵的多樣化同步發(fā)生于距今1100至2000萬年之間，是中新世以來氣候劇烈變化的結(jié)果。
研究團(tuán)隊(duì)在攀枝花蘇鐵基因組中發(fā)現(xiàn)一種細(xì)胞毒素蛋白基因（fitD），該基因起源于細(xì)菌，通過水平基因轉(zhuǎn)移的方式轉(zhuǎn)移到真菌和蘇鐵中。基于蘇鐵類339個(gè)物種轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)該毒素蛋白只在蘇鐵中存在，且在蘇鐵種子和根部高表達(dá)，目前尚未在其他植物中發(fā)現(xiàn)。
Nature Plants封面
據(jù)深圳仙湖植物園張壽洲教授介紹，本次發(fā)現(xiàn)的毒性蛋白能夠殺死一些常見昆蟲，如棉鈴蟲、小菜蛾等，目前已通過基因重組技術(shù)將其成功應(yīng)用于棉花，事實(shí)證明其殺蟲效率比現(xiàn)有抗蟲棉更高，可在棉花種植中進(jìn)行推廣。此外，該毒性蛋白的植物性來源，也使其對(duì)玉米等農(nóng)作物具有更安全、更高的保護(hù)性。
除了在農(nóng)業(yè)方面具有可觀的應(yīng)用前景之外，蘇鐵還有著很多待研究發(fā)掘的實(shí)用價(jià)值，譬如藥用價(jià)值上，蘇鐵全身均可入藥，葉片提取物有抗癌活性，在治療癌癥、艾滋病、肝臟疾病等多種疾病的藥物中均有應(yīng)用。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還揭露了蘇鐵的性別決定相關(guān)基因，揭示了蘇鐵性別決定的遺傳機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)62株雌雄蘇鐵群體（源于四川攀枝花蘇鐵國家級(jí)保護(hù)區(qū)）進(jìn)行測(cè)序分析，在雄株的Y染色體中找到了雌雄表達(dá)差異最大的一個(gè)基因，該基因編碼一個(gè)MADS-box轉(zhuǎn)錄因子，推測(cè)其調(diào)控雌雄蘇鐵的性器官發(fā)育。該轉(zhuǎn)錄因子的同源基因也僅能在雄株基因組中檢測(cè)到，說明了該性別決定機(jī)制在蘇鐵類植物中的保守性。
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