@ 2022.09.17 , 17:33

染色体数目最多的多细胞生物是__?填补DNA测序工程绿色生命谱系里最后的空白

蕨类植物确实有一些特别之处。

它们的DNA奇怪又复杂。事实上,一种蕨类植物——网状蛇尾蕨——保持着染色体数量最多的多细胞生物的名头。在其大部分细胞核中可以找到大约720对染色体。

好吧,事实证明我们的怀疑是正确的。

经过多年的艰苦工作,科学家们终于对三种不同的同孢子蕨类植物的庞大基因组完成了测序,揭示了这些有害植物不仅囤积DNA,而且还从其他生物体中窃取DNA——偷龄达数百万年。

“每个基因组都讲述了一个不同的故事,”佛罗里达自然历史博物馆的遗传学家 Doug Soltis 说。“蕨类植物是所有种子植物的近亲,它们对食草动物产生化学威慑,这可能对农业研究有用。然而,直到现在,它们仍是没有基因组序列的最后一个主要的绿色生命谱系。”

现在又三篇独立的论文给出了三种蕨类植物的基因组。

一篇关于飞蛛猴树蕨(Alsophila spinulosa)的论文于 5 月发表在 Nature Plants 上。上周,关于铁线蕨 (Adiantum capillus-veneris) 和 C-水蕨 (Ceratopteris richardii) 的论文也加入其中,它们已作为模式生物被研究了数十年之久。

作为来自全球28个机构的科学家团队的一员,Soltis 为 C-fern 论文做出了贡献。他们的努力是艰巨的,花了八年多的时间才拼凑出 C-蕨类植物的基因组。

结果:一个基因组在其39对染色体中包含 7.46 GB 的 DNA,是人类基因组的两倍多。研究人员报告说,结果是有趣的惊喜。

过去,科学家们将蕨类植物的巨大基因组和高染色体数量归因于反复的全基因组复制,其中生物体的后代意外地继承了亲本整个基因组副本。这在植物中很常见,并且可以带来一些好处,例如快速进化和分化。

然而,这种生物往往会经历短暂的调整,去掉多余的基因组,让染色体回归正常。但蕨类植物不同。

“这是过去半个世纪以来的植物学热点,并导致了各种相互矛盾的结果。”斯坦福大学的植物学家、论文合著者Daniel Blaine Marchant说。“弄清这背后的进化细节非常重要。”

答案就在 C. richardii 的 DNA 中。重复复制,蕨类植物的染色体应是相同的DNA片段,而不应形成杂乱无章的一团。

C. richardii基因组的 85% 由这些转座子组成,这些转座子是可以四处移动的 DNA 序列,在 A. capillus-veneris 中也观察到了相似的占比。

“功能基因被大量重复的 DNA 分开,”佛罗里达自然历史博物馆的植物学家 Pam Soltis 说,“虽然我们还不确定Ceratopteris目和其他蕨类植物基因组是如何变得如此庞大的,但很明显,重复复制基因组的普遍观点是错的。”

不管发生了什么,这似乎表明蕨类植物在脱落垃圾 DNA 方面效率很低。相反,他们无限期地保留它,就像一个囤积者,根本不知道什么时候要用到那个装满铅笔的抽屉。

但该团队还发现了证据,表明 C. richardii 是一个偷偷摸摸的DNA 窃贼。

在蕨类植物的基因组中,有一种针对特定毒素的防御机制,这种毒素会在细胞膜上打孔。此类防御方式通常存在于细菌中——这表明蕨类植物是通过被称为水平基因转移的过程从细菌那里学来的。

这些防御基因的副本出现在植物的不同部位,表明转移发生了多次。因此,研究人员认为,蕨类植物似乎确实从其战利品的果实中获得了一些好处,而且这种好处很可能也是防御性的。

而且也相当令人惊讶和巧妙。

“水平基因转移背后的机制仍然是陆地植物进化研究最少的领域之一,”Soltis 说,“在进化的时间尺度上,这有点像中了彩票。植物受伤,内部容易受到微生物的入侵,但外来者的DNA被整合到植物基因组中似乎也是惊人的。”

关于三大蕨类植物DNA测序结果的论文已发表在 Nature Plants 上。

https://www.sciencealert.com/ferns-are-super-weird-and-their-genomes-are-even-more-chaotic-than-we-thought


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