针叶树“异曲同工”的适应性机制
针叶树分布范围极广,是北半球森林生态系统的骨干,同时也是世界林业的主导树种 。作为广泛分布的先锋树种,针叶树一直以其卓越的抗逆性而著称,然而其适应性的分子基础目前尚不清楚 。
此前研究表明,全基因组复制事件(WGD)可能为被子植物自白垩纪中期后的快速扩张提供了重要进化动力,更高的基因冗余性使多倍体通常在逆境中表现出更强的适应性 。然而,针叶树中WGD的发生频率远低于被子植物 。
本研究发现,虽然油松在进化中经历过2次极古老的WGD,但其祖先在近1亿年内再未发生过WGD 。
不过,令人惊奇的是,油松超过91%的基因都发生了复制,主要通过散在重复机制复制,其中显著扩张的基因家族在生物与非生物胁迫响应通路极显著富集 。因此,基因复制带来的基因冗余性可能与全基因组复制功能“异曲同工”,赋予了针叶树更强的适应性,其中抗逆性相关基因的大量积累可能为针叶树卓越的抗逆性提供了遗传基础 。
松脂生物合成是松类植物的重要特征,在抗虫、抗病、抗非生物胁迫中均发挥着重要作用 。有趣的是,该研究首次把油松的汉语拼音“you song”引入英文文献(英文字面含义为“君之颂”),并解释了其汉语词义“多脂的松树” 。
该研究解析了针叶树中最完整的松脂合成通路,发现油松多数位点基因数量与被子植物相似,但关键限速酶发生了剧烈扩张,同时在油松中发现了134个松脂萜类化合物合成基因(TPS),油松也是迄今为止发现的存在TPS基因数目最多的物种 。这些扩张基因有规律地按功能分类成簇地聚集在染色体上,在DNA上铭刻着“油松”富产松脂的密码 。
“针叶树研究十分困难,与被子植物研究相比仍十分滞后 。本研究是北京林业大学针叶树遗传育种团队传承四十年取得的重要突破,我们期待以该研究为起点,破解更多针叶树特异的生长发育的秘密,为这类全球重要的生态与用材树种的高效遗传改良提供理论基础,也为更全面理解植物各异的演化机制提供被子植物以外新的视角 。”钮世辉如是说 。
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