智利研究團(tuán)隊(duì)在智利北部的阿塔卡馬沙漠建立了一個(gè)無(wú)與倫比的“天然實(shí)驗(yàn)室”，這里是地球上最干燥、最?lèi)毫拥沫h(huán)境之一。 

圖片來(lái)源：美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》

科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

一個(gè)國(guó)際科研小組研究了能在地球上最?lèi)毫迎h(huán)境之一——智利阿塔卡馬沙漠生存的植物，確定了與其適應(yīng)能力相關(guān)的基因。這一論文發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上，研究結(jié)果可能有助于科學(xué)家培育出能在日益干旱的氣候中茁壯成長(zhǎng)的韌性作物。

共同領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的紐約大學(xué)生物系暨基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)中心卡羅爾·彼得里教授說(shuō)：“在氣候變化加速的時(shí)代，揭示遺傳基礎(chǔ)以在干旱和營(yíng)養(yǎng)貧乏的條件下提高作物產(chǎn)量和恢復(fù)力至關(guān)重要。”

該研究展現(xiàn)了植物學(xué)家、微生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、進(jìn)化和基因組科學(xué)家之間的國(guó)際合作。這種獨(dú)特的專(zhuān)業(yè)知識(shí)組合使團(tuán)隊(duì)能夠識(shí)別出植物、相關(guān)微生物以及使阿塔卡馬植物適應(yīng)極端沙漠條件并茁壯成長(zhǎng)的基因，這最終可能有助于促進(jìn)作物生長(zhǎng)，減少糧食不安全。

智利天主教大學(xué)分子遺傳學(xué)和微生物學(xué)系教授古鐵雷斯說(shuō)：“我們對(duì)阿塔卡馬沙漠植物的研究與世界各地日益干旱的地區(qū)直接相關(guān)，干旱、極端氣溫以及水和土壤中的鹽分等因素，對(duì)全球糧食生產(chǎn)構(gòu)成了重大威脅。”

在地球最干燥的地方建“天然實(shí)驗(yàn)室”

智利北部的阿塔卡馬沙漠夾在太平洋和安第斯山脈之間，是地球上最干燥的地方（不包括兩極）。然而，那里生長(zhǎng)著數(shù)十種植物，包括草、一年生植物和多年生灌木。除了有限的水之外，阿塔卡馬的植物還必須應(yīng)對(duì)高海拔、土壤中養(yǎng)分可用性低以及極高的陽(yáng)光輻射。

智利研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10年在阿塔卡馬沙漠建立了一個(gè)無(wú)與倫比的“天然實(shí)驗(yàn)室”。在該實(shí)驗(yàn)室中，他們收集并表征了沿塔拉布雷—萊賈橫斷面的不同植被區(qū)和海拔（每100米海拔）的22個(gè)地點(diǎn)的氣候、土壤和植物。通過(guò)測(cè)量各種因素，他們記錄了晝夜波動(dòng)超過(guò)50度的溫度、非常高水平的輻射、缺乏養(yǎng)分的土壤（主要是沙子）以及極少的降雨（大部分年降雨都在幾天之內(nèi)完成）。

使用基因組學(xué)探索韌性植物的進(jìn)化

智利研究人員將保存在液氮中的植物和土壤樣本帶回1600公里外的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)阿塔卡馬地區(qū)32種優(yōu)勢(shì)植物中表達(dá)的基因進(jìn)行測(cè)序，并根據(jù)DNA序列評(píng)估與植物相關(guān)的土壤微生物。他們發(fā)現(xiàn)，一些植物物種在其根部附近發(fā)育出促進(jìn)生長(zhǎng)的細(xì)菌，這是一種優(yōu)化氮攝入的適應(yīng)性策略，氮是阿塔卡馬貧氮土壤中對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要的營(yíng)養(yǎng)素。

為了確定其蛋白質(zhì)序列在阿塔卡馬物種中適應(yīng)的基因，紐約大學(xué)研究人員使用一種稱(chēng)為系統(tǒng)基因組學(xué)的方法進(jìn)行了分析，該方法旨在使用基因組數(shù)據(jù)重建進(jìn)化歷史。他們將32種阿塔卡馬植物的基因組與32種未適應(yīng)但基因相似的“姐妹”物種以及幾個(gè)模型物種的基因組進(jìn)行了比較。

研究人員表示，他們的目標(biāo)是，使用這種基于基因組序列的進(jìn)化樹(shù)，來(lái)識(shí)別在支持阿塔卡馬植物適應(yīng)沙漠條件的進(jìn)化基因中，氨基酸序列編碼的變化。

新研究利用紐約大學(xué)高性能計(jì)算集群進(jìn)行了分析。這種計(jì)算密集型基因組分析涉及比較70多個(gè)物種的1686950個(gè)蛋白質(zhì)序列。研究人員使用生成的8599764個(gè)氨基酸的超級(jí)矩陣來(lái)重建阿塔卡馬物種的進(jìn)化史。

該研究確定了265個(gè)候選基因，其蛋白質(zhì)序列變化是由多個(gè)阿塔卡馬物種的進(jìn)化力量選擇的。這些適應(yīng)性突變發(fā)生在植物適應(yīng)沙漠條件的基因中，包括與光和光合作用相關(guān)的基因，這可能使植物適應(yīng)阿塔卡馬的極端強(qiáng)光輻射。同樣，研究人員發(fā)現(xiàn)了參與調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)、鹽分、解毒和金屬離子的基因，這可能與這些阿塔卡馬植物適應(yīng)壓力大、營(yíng)養(yǎng)貧乏的環(huán)境有關(guān)。

從“基因金礦”中學(xué)到什么

大多數(shù)關(guān)于植物應(yīng)激反應(yīng)和耐受性的科學(xué)知識(shí)，都是通過(guò)使用少數(shù)模型物種，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究獲得的。此類(lèi)分子研究雖然有益，但可能忽略了植物進(jìn)化的生態(tài)背景。

智利天主教大學(xué)古鐵雷斯實(shí)驗(yàn)室的薇薇安娜·阿勞斯說(shuō)：“通過(guò)研究其自然環(huán)境中的生態(tài)系統(tǒng)，我們能夠識(shí)別出面臨共同惡劣環(huán)境的物種之間的自適應(yīng)基因和分子過(guò)程。”

古鐵雷斯表示：“我們?cè)谶@項(xiàng)研究中表征的大多數(shù)植物物種以前都沒(méi)有被研究過(guò)。由于一些阿塔卡馬植物與谷物、豆類(lèi)和馬鈴薯等主食作物密切相關(guān)，因此我們確定的候選基因代表了一個(gè)“基因金礦”，可用來(lái)設(shè)計(jì)更具韌性的作物。鑒于我們星球的荒漠化程度加劇，這是必要的。”

關(guān)鍵詞： 植被 金礦 作物