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我院2013届毕业生许宇星在Nature communications 杂志上发表文章

作者:    来源:     发布日期:2018-07-13     浏览次数:

     

    自然界绝大部分植物都通过叶片的光合作用和根部的水分和营养吸收维持自养生存,而寄生植物则是一类通过寄生在自养植物上获取能量和营养的植物。寄生植物独特的起源、演化和特殊生理生态长期以来吸引着研究者的目光。旋花科寄生植物菟丝子就是其中的一类,菟丝子属Cuscuta spp.)植物在长期的演化过程中丢失了自养植物必须的重要器官—根和叶,营养生长期全株仅有茎,缠绕附着于寄主植物上,并在与寄主接触区长出大量独特器官吸器,从而吸取营养,开花结果。菟丝子的整个生命过程必须依赖寄主才能完成。

    茎寄生特性使得菟丝子的寄生行为在实验室中方便控制和观察,近年来已成为许多探索寄生植物生理生态和进化生物学的重要研究对象。2018年7月11日,中国科学院昆明植物研究所吴建强研究组在 Nature communications 杂志在线发表了题为Large-scale gene losses underlie the genome evolution of parasitic plant Cuscuta australis的研究论文。该研究以南方菟丝子Cuscuta australis为对象通过全基因组和转录组测序,获得了首个寄生植物高质量参考基因组;通过比较基因组学、分子进化等分析获得了大量信息,为解密菟丝子属植物的演化和以菟丝子为模型的寄生植物生理生态研究提供了重要资源,同时,也为了解其它寄生植物的演化以及与寄主间的互作提供了重要基础。

    该研究采用了纯三代测序技术进行测序和拼接,再使用准确率较高的二代测序数据进行纠错,并对菟丝子各个器官进行转录组测序用于基因注释和功能分析。在获取高质量参考基因组后,研究者将菟丝子基因组与同为旋花科的番薯属植物牵牛的基因组进行精细的比较基因组学研究,通过巧妙地利用物种分化与基因组加倍时间的差异,结合基因系统发育分析与共线性分析,发现菟丝子属与番薯属植物的共同祖先在约750万年前分化前经历了一次全基因组三倍化加倍事件

     令人称奇的是,两种植物在三倍化后走向了完全不同的演化道路:牵牛保留了大量加倍后的基因,其蛋白编码基因多达42783个;而菟丝子在分化后经历了快速进化以及大规模的基因丢失,最终仅保留了19671个蛋白编码基因,近7成的基因家族中基因数量少于近缘自养植物的平均值,基因个数甚至少于没有发生全基因组加倍事件的咖啡基因组(25574个)。研究者设计了一套严格而精确的生物信息学分析方法对菟丝子全基因组基因丢失事件进行了系统分析,通过与模式植物拟南芥以及近缘植物猴面花、咖啡、辣椒、土豆、番茄和牵牛为代表的自养植物进行对比,发现自养植物中保守的基因约11.7%在菟丝子基因组中发生了丢失。丢失基因大部分与光合作用、根和叶的功能与发育、植物抵御逆境与胁迫和基因的转录调控等相关。非常有趣的是菟丝子基因组中还丢失诸如FLC、 FRI、SVP、AGL17CO等重要的开花决定基因。这些在自养植物中非常重要的基因在菟丝子中的丢失很可能和它根和叶片的退化相关

    菟丝子的寄生习性离不开其特有器官吸器的演化。在该研究中,研究者发现在与近缘自养植物各器官转录组比较中,约三分之一的吸器高表达基因与自养植物根的高表达基因相同。结合转录组数据、基因选择压力分析和基因家族扩张分析,该研究中找到了一系列与吸器功能和发育可能相关的基因。其中大量基因功能集中在营养获取和细胞壁分解中,包括果胶酯酶、丝氨酸羧肽酶和各种转运蛋白,此外另有大量无法注释功能的新基因有待进一步的研究。其中最为有趣的是一个与烟草DAD2/DWARF14 十分相似的α/β水解酶,该基因在自养植物中为植物激素独脚金内酯(strigolactone)的受体,在另一类寄生植物根寄生的列当科植物中被认为与吸器发育和寄生过相关,这暗示了不同起源的寄生植物在寄生习性获取中可能经历了相似的过程。

    吴建强研究组的孙桂玲副研究员,博士研究生许宇星以及刘晖博士为论文共同第一作者,吴建强研究员为论文通讯作者。该研究得到了中科院先导专项(B类)项目的资助。

    【校友信息】许宇星,男,我院2009级生物科学3班学生,现为中科院昆明植物所在读博士生。

     论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04721-8

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