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我科学家破解陆生植物起源密码

据中国农科院最新消息,该院生物技术研究所谷晓峰课题组、张芃芃课题组与国内外科学家合作,获得了绿色植物界最古老单细胞轮藻(Mesostigma viride)的首个基因组,在表观组和转录组研究中取得重大突破。研究揭示了植物单细胞到多细胞进化和陆生植物起源的机制,补上了生命进化过程研究中一直缺失的重要节点,对认识整个生命系统起源具有重要的理论和实践意义。该研究成果在线发表于《尖端科学(Advanced Science)》。

谷晓峰研究员介绍,单细胞生物到多细胞生物的演化是生命进化史上的重要里程碑。目前学术界一般认为多细胞轮藻具备根茎叶的分化,是陆生植物的祖先。迄今为止已报道基因组的陆生植物及轮藻都属于多细胞植物,而由于单细胞轮藻基因组、表观组等信息的缺失,科学家一直无法了解从单细胞到多细胞的进化及陆生植物的终极起源机制,极大限制了对陆生植物进化的研究,以及通过比较物种进化对核心基因和表观调控因子的鉴定。

M.viride是目前已知的最古老单细胞轮藻,获得其基因组、转录组和表观组信息,是揭示整个植物起源和进化的关键节点,对解释地球生命进化史以及植物约10亿年前的早期分化具有重要意义。研究人员组装获得了高质量的M. viride 基因组,该基因组大小为442 Mb,富含重复序列,并发现可能的基因组复制事件。通过比较基因组分析,进一步揭示了单细胞轮藻已经拥有的大量和陆生植物性状相关的遗传信息,阐述了光合途径进化、逆境响应等多种机制。同时,研究发现DNA胞嘧啶甲基化和小RNA等表观遗传修饰是低等到高等陆生植物进化过程中保守的基因转录调控方式,这对揭示植物生长发育、尤其是响应外界各种胁迫的应答机制意义重大。

该研究不仅揭示了植物从单细胞到多细胞的进化与陆生植物的起源机制,其阐述的表观遗传调控基因表达、光合途径进化以及响应逆境胁迫等机制,将为高等植物如粮食作物抗逆、提高光合效率乃至品种改良方面的基础研究和育种应用提供了新思路,具有重要的指导意义。

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