焦点热讯:复活 - 科学家发现它不是由于“奇迹基因”

波恩大学和密歇根大学的一项研究表明，某些植物能够在长期干旱中生存并在雨后恢复活力是由于广泛的基因网络，而不是单一的“奇迹基因”。

来自波恩大学和密歇根大学的科学家对一种耐旱植物的基因组进行了全面分析。

某些植物物种具有在没有水的情况下忍受长时间的能力，在一场小雨后恢复到绿色状态。波恩大学和密歇根大学进行的一项联合研究表明，这种独特的特征并非源于单一的“奇迹基因”。相反，这种弹性是相互关联的基因网络的结果，其中大部分也可以在抗性较差的植物品种中找到。该研究的结果最近发表在《植物杂志》上。

(资料图片仅供参考)

研究人员彻底检查了波恩大学广泛研究的一种植物，这种复活植物在科学上被称为Craterostigma plantagineum。它的名字恰如其分地反映了它在干旱时期看似死而复生的能力。尽管在经历了数月的缺水之后看起来毫无生气，但这种非凡的植物只需要少量的水就可以恢复生机。

“在我们研究所，我们多年来一直在研究植物如何做到这一点，”波恩大学植物分子生理学和生物技术研究所 (IMBIO) 的 Dorothea Bartels 教授解释说。

她的兴趣包括负责耐旱性的基因。越来越清楚的是，这种能力不是单一“奇迹基因”的结果。相反，涉及到很多基因，其中大部分也存在于不能很好地应对干旱的物种中。

该植物的每条染色体有八个拷贝

在当前的研究中，Bartel 的团队与密歇根大学（美国）的研究人员一起分析了Craterostigma plantagineum的完整基因组。这是非常复杂的：虽然大多数动物的每条染色体都有两个副本——一个来自母亲，一个来自父亲——但 Craterostigma 有八个。这种“八重”基因组也称为八倍体。相比之下，我们人类是二倍体。

“在许多在极端条件下进化的植物中可以观察到这种遗传信息的倍增，”巴特尔斯说。但这是为什么呢？一个可能的原因是：如果一个基因有八个拷贝而不是两个，原则上它的读取速度可以提高四倍。因此，八倍体基因组可以非常快速地产生大量所需的蛋白质。这种能力似乎对耐旱性的发展也很重要。

复活植物Craterostigma plantagineum在灌溉条件下（左）、干燥（中），然后“复活”（右）。图片来源：AG Bartels/波恩大学

在 Craterostigma 中，一些与更耐旱性相关的基因甚至被进一步复制。其中包括所谓的 ELIPs——该首字母缩写词代表“早期光诱导蛋白”，因为它们被光迅速激活并防止氧化应激。它们以高拷贝数出现在所有耐旱物种中。“Craterostigma 有近 200 个 ELIP 基因，这些基因几乎相同，并且位于不同染色体上的 10 或 20 个拷贝的大簇中，”Bartels 解释说。因此，耐旱植物大概可以利用广泛的基因网络，它们可以在干旱情况下迅速上调这些基因。

对干旱敏感的物种通常具有相同的基因——尽管拷贝数较低。这也不足为奇：大多数植物的种子和花粉在长时间缺水后通常仍能发芽。所以他们也有一个基因程序来防止干旱。“然而，这个程序通常在发芽时关闭，之后无法重新激活，”植物学家解释道。“相比之下，在复活植物中，它仍然活跃。”

大多数物种“可以做到”耐旱

因此，耐旱性是绝大多数植物“可以做到”的事情。赋予这种能力的基因可能在进化过程中很早就出现了。然而，这些网络在耐旱物种中更有效，而且不仅在生命周期的某些阶段活跃。

也就是说，并非Craterostigma plantagineum中的每个细胞都具有相同的“干旱程序”。杜塞尔多夫大学的研究人员也参与了这项研究，他们证明了这一点。例如，不同的干旱网络基因在干燥过程中在根中比在叶子中活跃。这一发现并不出人意料：例如，树叶需要保护自己免受太阳的破坏性影响。例如，ELIP 在这方面帮助了他们。在充足的水分下，植物会形成至少部分吸收辐射的光合色素。这种自然保护在干旱期间基本上失效。相比之下，根不必担心晒伤。

该研究加深了人们对为什么某些物种很少遭受干旱的理解。因此，从长远来看，它可能有助于培育出能够更好地应对干旱的小麦或玉米等作物。在气候变化时期，未来对这些产品的需求可能比以往任何时候都大。