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

  • 喜迎新年

  • 奋力冲刺“全年红”

独家策划

推荐阅读
2024年,中国制造业顶压前行、向新向优,制造强国发展指数与德国和日本处于同一区间,进入全球制造强国第二阵列,成为继美国、德国、日本后第四个迈入全球制造强国行列的国家。
2025-12-31 08:56
突破性成果勾勒出我国高水平科技自立自强的清晰轨迹。
2025-12-31 08:58
“预计元旦期间,我国大部地区降水较弱,但中东部将出现显著降温,南方地区湿冷感明显。
2025-12-31 09:12
12月30日,中国气象局召开新闻发布会,专题发布《全球气象发展报告2025》(以下简称《报告》),呈现2024年全球气象发展态势。
2025-12-31 09:04
北斗三号全球卫星导航系统组网阶段的主要目标是把卫星建好,运行阶段的主要目标则是管好、用好。
2025-12-31 09:03
光明日报北京12月29日电 记者姚亚奇29日从国家林草局获悉,“十四五”期间,我国采取有力措施,加快推进林草种苗振兴,收集保存林草种质资源14.74万份,较“十三五”末增长180%,我国重要乡土树种草种和珍稀濒危林草种质资源得到有效保护。
2025-12-30 09:23
由自然资源部南海生态中心联合相关单位共同编制的《黄岩岛珊瑚礁生态调查报告》29日在京发布。报告基于船舶走航、潜水调查、卫星航空遥感、原位观测等方式,结合历史数据分析,对黄岩岛珊瑚礁生态状况进行了调查评估。
2025-12-30 09:23
松花江畔,风机和光伏正齐齐出力,一端是新能源电力源源不断产出;另一端,化工装置稳定运行,“绿色石油”涌流而出。
2025-12-30 09:37
执行中国第42次南极考察任务的“雪龙”号极地科考破冰船于北京时间29日顺利抵达秦岭站海域,并开展卸货作业。
2025-12-30 09:32
研究人员在火星发现了适合人类探索的浅层水冰的痕迹。研究团队借助高分辨率轨道影像,对火星地貌进行了研究,并在中纬度的亚马孙平原发现了埋藏深度不足1米的冰痕迹。易获取的冰能够让宇航员在火星长期生存与工作期间,制备饮用水、可呼吸的氧气、燃料及其他必需品。
2025-12-30 09:27
截至12月28日,新疆油田2025年二氧化碳注入量突破100万吨,成为我国首个实现年注碳百万吨的油田。”新疆油田公司执行董事、党委书记石道涵介绍,油田年注碳量从2022年的12.6万吨跃升至2025年的100万吨,已累计注入二氧化碳超200万吨。
2025-12-30 09:26
12月26日,我国首个覆盖6种轮状病毒血清型的六价轮状病毒疫苗在湖北武汉完成首剂接种。
2025-12-29 10:23
美国哈佛—史密森尼天体物理中心天文学家利用美国国家航空航天局(NASA)的哈勃空间望远镜,首次观测到围绕年轻恒星运行的迄今最大原行星盘——IRAS 23077+6707。
2025-12-29 10:10
2025年12月27日0时07分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射风云四号C星(03星),卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2025-12-29 10:07
中国科学院空天信息创新研究院研究员王振友团队联合四川省文物考古研究院等机构的科研人员,自主研制了显微时间门控拉曼光谱仪,并利用该仪器对三星堆出土的4块象牙碎片进行无损检测,揭示了象牙在长期地质作用下的老化过程。
2025-12-29 10:01
近期,工信部发布《场景化、图谱化推进重点行业数字化转型的参考指引(2025版)》,聚焦14个重点行业,绘制企业数字化转型“场景导航图。
2025-12-29 09:59
当日,石景山区AI for Science平台正式上线,该平台由枫清科技携手火山引擎联合打造,以AI驱动科研机构与企业的科研效率革新,降低科研门槛。
2025-12-27 20:21
记者25日从国防科技大学获悉,该校磁浮团队近日在磁悬浮试验中,成功在两秒内将吨级试验车加速至700公里/小时。测试速度打破了同类型平台全球纪录,成为全球最快的超导电动磁悬浮试验速度。
2025-12-26 10:08
12月24日,中国科学院重大科技基础设施“载人潜水器与海上作业母船”用户委员会2025年度会议披露:我国“深海勇士”号、“奋斗者”号、“蛟龙”号三大载人潜水器全年完成314次深潜,累计下潜总量达1746次,2026年将向2000次目标稳步迈进。
2025-12-26 10:05
日前,国家自然科学基金委员会在北京召开国家自然科学基金首批重大非共识项目遴选会议,标志着重大非共识项目正式启动试点。国家自然科学基金委员会将深入实施并持续优化重大非共识项目遴选机制,引导广大科研人员聚焦高水平原创性科研工作狠下功夫。
2025-12-26 09:59
加载更多