点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:春笋在雨后疯长的秘密 藏在这些“凭空出现”的基因里
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

春笋在雨后疯长的秘密 藏在这些“凭空出现”的基因里

来源:科技日报2021-11-11 09:38

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  “雨后春笋”常被用来形容新生事物的大量和快速涌现,这种比喻并非人为夸张。事实上,毛竹的幼嫩茎秆,也就是人们常说的笋,一天生长可达1米,可谓是生长最快的植物,比其他木本树木快数百倍。

  竹子的生长速度和个头,令其他禾本科植物“望尘莫及”。在我国南方亚热带地区广泛栽培的毛竹可高达20米,而另一些物种,如云南热带地区的巨龙竹高超过30米,可与热带雨林的“高个子”树木争夺阳光雨露,是世界上最高大的禾草。是什么赋予了木本竹子这种快速生长、从而适应森林环境的能力?

  近日,中国科学院昆明植物研究所研究员李德铢团队、章成君团队与美国芝加哥大学教授龙漫远合作,开展了竹子新基因功能演化的研究。研究团队对毛竹基因组数据进行深入分析,鉴定到1622个竹子特有的孤儿基因,也由此揭示了竹子茎秆快速生长过程中,新基因与全基因组重复相互作用的奥秘。研究成果在线发表于著名国际演化生物学期刊《分子生物学与进化》。

  竹子的“多余”染色体让它成为好“模特”

  人类赖以生存的水稻、小麦、玉米、高粱和多种牧草,以及芦苇、芒、甘蔗和竹子等有重要价值的物种,都属于禾本科。

  “禾本科是被子植物的第五大科,约有770属12000种,是与人类生产和生活关系最为密切、最具经济价值的大科。”李德铢介绍,禾本科同时还具有重要的生态价值,表现出广泛的生态适应性,从森林到草原,沼泽到荒漠,高山到北极都可见其身影。

  竹子是禾本科在森林生态系统中多样化的竹亚科植物的总称,全世界共有超过1600个物种。竹类植物多数种类植株高大、生长迅速,营养生长周期长达几十年,最长可达120年,且开花后即成片死亡。

  李德铢团队多年来致力于竹子的分类学、系统发育和基因组学研究。最近,团队解析了二倍体草本竹子和六倍体木本竹子基因组。

  论文第一作者之一、中科院昆明植物研究所副研究员马朋飞博士向记者介绍,竹亚科是唯一一个具有森林习性的禾本植物,竹子包括染色体基数为12、不同倍性的四个分支,草本竹类为二倍体,而像巨型龙竹等木本竹类均为异源四倍体或六倍体,这些“多余的”染色体是遗传变异的物质基础,可能促进了木本竹类独特性状的形成。

  马朋飞说,木本竹相对于其禾本科近缘物种,具有较多的演化创新性状,如快速生长和木质化的茎秆,分生扩繁能力强大的地下茎等。结合团队此前的研究,研究人员认为木本竹普遍经历了基因组复制事件,而基因复制是新基因起源最主要的方式之一,使竹子成为研究新基因和演化创新的一个重要模式系统。

  不是所有的孤儿基因都能推动演化创新

  演化创新贯穿于整个生命之树。被子植物的花、哺乳动物的肺、鸟类的羽毛,分别为它们开拓和适应新的生态位提供了重要前提。但这一切是如何产生的?

  “新性状如何起源,已成为进化生物学中的一个基本问题。然而,大多数研究都集中在创新的外部环境诱导上。但近年来越来越多的研究表明,新基因是演化创新的主要驱动力之一。”李德铢说,几乎所有的物种都包含一定数量的特有新基因,被称为孤儿基因。而孤儿基因有多种起源方式,其中最引人注目的是从头起源,因为从头起源基因是驱动演化创新的关键角色。而研究也证实了与竹子同属于禾本植物的水稻从头起源基因的真实存在。

  合作研究团队发现,他们所鉴定的4600万年来出现的1622个竹子特有孤儿基因中,有19个是从非编码的祖先序列进化而来,并重建了整个从头开始的过程。其中4个基因还得到了蛋白质证据的支持。

  “这些新基因,无论是否从头起源,都主要表达在快速生长的笋中,使笋的转录组在各种竹子组织中显得最年轻,而不是像其他植物中那样,是生殖组织的转录组最年轻。”李德铢说。

  以往的研究表明,新基因主要是在繁殖器官中高表达,如被子植物的花粉。但有趣的是,在竹子中,不管是孤儿基因还是从头起源基因都在快速生长的竹笋中高表达,尤其是在其快速生长的转折点表达量达到最高,快速生长的竹笋可能是竹子新基因产生的“孵化器”。

  除了从头起源,论文第一作者之一的金桂花博士介绍,孤儿基因的起源方式还主要包括基因“重复—分化”、转座子扩张等。而其与非孤儿基因相比最大的区别在于基因编码序列短、内含子数目少、演化速率快、功能未知和更倾向于组织特异性表达等。

  “但需要指出的是,不是所有的孤儿基因都能推动演化创新。”金桂花说,大多数孤儿基因起源后,很可能并不具有功能,甚至没有转录和翻译成蛋白的能力,很多孤儿基因甚至在起源后就面临着丢失的命运。

  2012年《自然》期刊上发表的一篇论文中,曾提出过一种名叫原基因的假设:这些基因最初可能是DNA上的一部分,其对应的RNA和蛋白质产物起初不具备任何功能。但在适当的环境条件下,这些原基因可以为生物体带来一些优势,从此在自然选择的作用下开始演化,从而形成一个推动演化创新的新基因。

  新基因与重复序列基因互作让竹子快速生长

  “此前,我们对表型新颖性出现的遗传基础知之甚少,尽管创新和基因组新颖性与新基因之间的联系早已被假设。而最近的研究将表型创新归因于新基因的进化,为这一假设提供了直接证据。”

  为了追踪木本竹子基因的系统发育起源,研究团队选择了一种草本竹子和3种已测序基因组的木本竹子,以及生命树上其他65个代表性基因组进行地层学的系统分析。三个木本物种代表了竹亚科木本竹子的所有三个主要谱系。根据梯形系统发育树,研究者定义了12个系统层等级,从最古老的细胞生物到最年轻的物种特异性,共有50936个基因被分配到这12个层级中,每个层级的基因数量与基因年龄呈正相关。

  研究还发现,正是因为经历了全基因组重复事件,重复基因也在竹笋中“偏好性”地特异高表达,而且大多数重复基因的形成时间,与木本竹子基因组的重复时间吻合。“新研究发现木本竹特有的孤儿基因在快速生长的茎秆中高表达。而基因组重复事件产生的一个基因拷贝发生了表达特异性分化,也在快速生长的茎秆中高表达。”马朋飞说,这些孤儿基因和表达分化的重复基因可能通过共同作用重塑了茎秆生长的表达网络,从而驱动了竹子茎秆快速生长这一创新性状的形成。

  “这项研究,为解析竹子快速生长这一独特性状起源演化的遗传基础提供了新视角,也为新基因如何作用新性状起源提供了一个崭新的例证。”李德铢说。(赵汉斌)

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 走进浙江宁波余姚井头山遗址

  • 浙江绍兴:年宵花卉迎新年

独家策划

推荐阅读
昆虫性信息素相当于昆虫之间的“气味语言”,具有靶向性强、用量少、对环境友好等优点,是当前绿色植保的重要策略之一。
2025-12-24 10:05
作为中国科学院“十四五”重大项目之一,2022年7月27日,由中国科学院力学研究所(以下简称力学所)抓总研制的“力箭一号”火箭首飞成功。
2025-12-24 09:59
中国科学技术大学(以下简称中国科大)教授潘建伟、朱晓波、彭承志和副教授陈福升等基于超导量子处理器“祖冲之3.2号”,在码距为7的表面码上实现了低于纠错阈值的量子纠错,演示了逻辑错误率随码距增加而显著下降。
2025-12-24 09:58
为加快推进知识产权强国建设,日前,国家知识产权局会同有关部门编制完成《知识产权强国建设发展报告(2025年)》。
2025-12-24 09:57
国家能源局23日发布11月全国电动汽车充电设施数据。
2025-12-24 09:57
我国自主设计建造的全球首制甲醇双燃料动力智能超大型油轮“凯拓”轮22日在辽宁大连成功交付。
2025-12-23 09:54
中国科学院大连化学物理研究所副研究员方光宗、研究员潘秀莲团队在乙炔氢氯化制氯乙烯研究领域取得新进展。
2025-12-23 09:53
《自然》杂志网站12月18日刊发文章,展望了2026年值得关注的科学事件,涉及人工智能(AI)、基因编辑和太空探索等多个领域。中国计划于2026年发射嫦娥七号探测器,目标是在布满岩石与陨石坑、着陆难度极大的月球南极附近着陆。
2025-12-23 09:52
9月30日,中国科学院上海应用物理研究所原所长徐洪杰去世半个月后,一场以追思和战略研讨为主题的“务虚会”在研究所召开。
2025-12-23 09:47
种子是“农业芯片”。精准设计育种这盘大棋,在科技工作者手中,正下得风生水起。
2025-12-23 03:05
12月17日,《自然》发布2025年值得关注的七大暖心科学故事,从基因编辑的多项突破,到传染病的快速防控,再到政策层面的重大胜利,都让人们为这一年感到高兴。
2025-12-22 09:57
记者21日从中国科学院大连化学物理研究所获悉,该所研究员李先锋团队在溴基多电子转移液流电池新体系研究方面取得新进展。
2025-12-22 09:56
微波加热,是维持“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)上亿摄氏度高温的核心技术之一。
2025-12-22 09:52
12月19日,《科学》在线发表了这项由中国科学家领衔的重要研究成果。
2025-12-22 09:50
记者了解到,作为农业科技“国家队”,近年来,该院依托西部中心,组建了高品质棉花生产模式、作物生物安全与防控等16支创新团队,把百余项技术成果转化运用到新疆这片热土。
2025-12-22 02:45
由我国多家研发单位联合完成的两项降糖减重药物Ⅲ期临床研究成果,北京时间18日在线发表于国际科学顶级学术期刊《自然》(《Nature》)。
2025-12-19 09:51
一个国际团队12月17日发表于《自然》的研究显示,70岁以上人群中,近1/10患有阿尔茨海默病。
2025-12-19 09:51
近日,“大国重器”中国天眼(FAST)又传来好消息。截至2025年11月5日,它已发现脉冲星1170颗,远超同期其他望远镜发现总数。
2025-12-19 09:48
国家自然科学基金重大非共识项目日前正式启动试点,首批遴选出3项建议资助项目,支持科研人员在国际科技竞争“无人区”开辟研究方向。
2025-12-19 09:47
《物理世界》日前公布“2025年度十大科学突破”榜单,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇团队主导的“首例二维金属制备”成果成功入选。
2025-12-19 09:45
加载更多