針葉樹“異曲同工”的適應性機制
針葉樹分布范圍極廣,是北半球森林生態系統的骨干,同時也是世界林業的主導樹種 。作為廣泛分布的先鋒樹種,針葉樹一直以其卓越的抗逆性而著稱,然而其適應性的分子基礎目前尚不清楚 。
此前研究表明,全基因組復制事件(WGD)可能為被子植物自白堊紀中期后的快速擴張提供了重要進化動力,更高的基因冗余性使多倍體通常在逆境中表現出更強的適應性 。然而,針葉樹中WGD的發生頻率遠低于被子植物 。
本研究發現,雖然油松在進化中經歷過2次極古老的WGD,但其祖先在近1億年內再未發生過WGD 。
不過,令人驚奇的是,油松超過91%的基因都發生了復制,主要通過散在重復機制復制,其中顯著擴張的基因家族在生物與非生物脅迫響應通路極顯著富集 。因此,基因復制帶來的基因冗余性可能與全基因組復制功能“異曲同工”,賦予了針葉樹更強的適應性,其中抗逆性相關基因的大量積累可能為針葉樹卓越的抗逆性提供了遺傳基礎 。
松脂生物合成是松類植物的重要特征,在抗蟲、抗病、抗非生物脅迫中均發揮著重要作用 。有趣的是,該研究首次把油松的漢語拼音“you song”引入英文文獻(英文字面含義為“君之頌”),并解釋了其漢語詞義“多脂的松樹” 。
該研究解析了針葉樹中最完整的松脂合成通路,發現油松多數位點基因數量與被子植物相似,但關鍵限速酶發生了劇烈擴張,同時在油松中發現了134個松脂萜類化合物合成基因(TPS),油松也是迄今為止發現的存在TPS基因數目最多的物種 。這些擴張基因有規律地按功能分類成簇地聚集在染色體上,在DNA上銘刻著“油松”富產松脂的密碼 。
“針葉樹研究十分困難,與被子植物研究相比仍十分滯后 。本研究是北京林業大學針葉樹遺傳育種團隊傳承四十年取得的重要突破,我們期待以該研究為起點,破解更多針葉樹特異的生長發育的秘密,為這類全球重要的生態與用材樹種的高效遺傳改良提供理論基礎,也為更全面理解植物各異的演化機制提供被子植物以外新的視角 ?!扁o世輝如是說 。
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