科学家揭示红树林耐逆境的基因秘密

研究人员已经解码了红树树Bruguiera gymnorhiza的基因组，并揭示了该物种如何调节其基因以应对压力。他们的发现有朝一日可以用来帮助其他植物更能承受压力。

　　

现在，来自冲绳科学技术研究生院(OIST)的研究人员破译了红树Bruguiera gymnorhiza的基因组，并揭示了这个物种如何调节自己的基因来应对压力。他们的发现最近发表在《新植物学家》杂志上，有一天可能被用来帮助其他植物更能承受压力。

“红树林是研究耐受性背后的分子机制的理想模型系统，因为它们能自然地应对各种压力因素，”该研究的第一作者、OIST植物表观遗传学部门的研究员martin Miryeganeh博士说。

红树林是地球上一个重要的生态系统，保护海岸线免受侵蚀，过滤水中的污染物，并作为鱼类和其他支持沿海生计的物种的苗圃。它们在对抗全球变暖方面也发挥着至关重要的作用，在一个特定地区储存的碳是热带雨林的四倍。

尽管红树林很重要，但它们正在以前所未有的速度被砍伐，由于人类的压力和海平面上升，预计将在短短100年内消失。到目前为止，能够帮助科学家保护这些生态系统的基因组资源非常有限。

红树林项目最初由OIST创始人之一悉尼·布伦纳(Sydney Brenner)提出，始于2016年，当时对冲绳的红树林进行了调查。科学家们注意到，这棵名为Bruguiera gymnorhiza的红树林，在生长在高盐度的海边和生长在河水偏咸的上游的两种树之间，表现出了显著的差异。

“这些树非常不同;在海洋附近，树的高度约为1至2米，而在河流上游，树的高度可达7米，”植物表观遗传学研究组负责人、资深作者Hidetoshi Saze教授说。“但矮树并不是不健康的——它们正常开花和结果——所以我们认为这种改变是适应性的，可能会让受盐胁迫的植物投入更多资源来应对严酷的环境。”

不像长期的进化适应，包括基因序列的改变，对环境的适应发生在一个有机体的生命周期中，通过表观遗传变化。这些是对DNA的化学修饰，影响不同基因的活动，调整基因组对不同环境刺激和压力的反应。像植物这样的生物无法迁移到更舒适的环境中，它们严重依赖表观遗传变化来生存。

在研究基因组是如何调控的之前，研究小组首先从红树林树——木榄树(Bruguiera gymnorhiza)中提取了DNA，并解码了该物种的基因组。他们发现，该基因组包含3.09亿对碱基对，预计有34403个基因——这比其他已知红树林物种的基因组要大得多。很大程度上是因为，几乎一半的DNA是由重复序列组成的。

当研究小组检查重复DNA的类型时，他们发现超过四分之一的基因组是由称为转座子或“跳跃基因”的遗传元素组成的。

Saze教授解释说:“主动转座子是寄生基因，可以在基因组中‘跳跃’位置，就像剪切和粘贴或复制和粘贴电脑功能。随着更多的自身副本被插入到基因组中，重复的DNA就会形成。”

转座子是基因组进化的一大驱动因素，引入了遗传多样性，但它们是一把双刃剑。通过转座子的移动对基因组的破坏更有可能造成伤害而不是带来好处，特别是当植物已经受到压力时，因此红树林通常比其他植物的基因组更小，转座子受到抑制。

然而，这不是木榄树的情况，科学家们推测，由于这种红树林物种比其他物种更古老，它可能没有进化到有一种有效的抑制手段。

研究小组随后检查了基因的活动，包括转座子，在高盐度的海边和低盐度的咸水上游的个体之间是如何变化的。他们还比较了在实验室中生长的红树林的基因活性，在两种不同的条件下复制了海边和上游的盐度水平。

总的来说，无论是在海边个体还是在实验室高盐度条件下生长的个体，参与抑制转座子活性的基因表现出更高的表达，而通常促进转座子活性的基因表现出更低的表达。此外，当研究小组专门研究转座子时，他们发现了其DNA上的化学修饰降低了其活性的证据。

“这表明应对生理盐水压力的一种重要方法包括沉默转座子，”Miryeganeh博士说。

研究人员还发现，与植物应激反应有关的基因活动增加，包括那些在植物缺水时激活的基因。基因活性也表明，受胁迫的植物的光合作用水平较低。

在未来的研究中，该团队计划研究季节、温度和降雨量的变化如何影响红树林基因组的活动。

“这项研究是一个基础，为红树林如何在极端压力下调节其基因组提供了新的见解，”Saze教授说。“需要更多的研究来了解这些基因活动的变化是如何影响植物细胞和组织中的分子过程的，并可能有一天帮助科学家创造新的植物品种，更好地应对压力。”

Journal Reference:

1. Matin Miryeganeh, Ferdinand Marlétaz, Daria Gavriouchkina, Hidetoshi Saze. De novo            genome assembly and            in natura            epigenomics reveal salinity‐induced DNA methylation in the mangrove tree            Bruguiera gymnorhiza. New Phytologist, 2021; DOI: 10.1111/nph.1773872103.htm (accessed October 27, 2021).