“基因金矿”构成了植物在沙漠环境中弹性

一个国际研究小组的研究人员已经确定了基因与植物生存在地球上环境最恶劣的地区之一:智利的阿塔卡马沙漠。他们的发现,发表在美国国家科学院院刊》上(PNAS),可以帮助科学家们品种弹性作物能够生长在越来越干燥的气候。

加速气候变化的时代,它揭示的遗传基础是至关重要的改善干燥贫瘠条件下作物生产和弹性,”说格洛丽亚Coruzzi卡罗尔和弥尔顿教授皮特里在纽约大学(NYU)部门的生物学和基因组学和系统生物学中心共同研究罗德里戈•古铁雷斯。

这项研究是国际之间的协作植物学家,微生物学家、生态学家、进化和基因组科学家。这种独特的专业知识使团队识别植物、微生物相关,和基因,使阿塔卡马沙漠植物适应和繁荣在极端条件下,这可能最终有助于提高作物生长,减少食品不安全。

阿塔卡马沙漠里的植物的“我们的研究直接关系到世界各地的地区变得越来越干燥,与因素,如干旱、极端温度和盐在水中和土壤对全球粮食生产构成严重威胁,”古铁雷斯说,分子遗传学和微生物学教授智利天主教大学德。

建立一个“自然实验室”在地球上最干燥的地方之一

智利北部的阿塔卡马沙漠,夹在太平洋和安第斯山脉,是地球上最干燥的地方(不含两极)。然而许多植物生长,包括草、一年生植物,多年生灌木。除了有限的水,植物在阿塔卡马必须应对高海拔、低可用性的土壤中的养分,从阳光和极高的辐射。

智利研究小组建立了一个无与伦比的“自然实验”的阿塔卡马沙漠的十多年中,他们收集和气候特征,土壤,植物在不同植被区和22个站点海拔(每隔100米海拔)沿着Talabre-Lejia横断面。测量各种因素,他们记录下温度波动超过50度从一天到晚,非常高的辐射水平,土壤主要是沙子和缺乏营养,很少下雨,大多数年度几天雨摔倒。

利用基因组学研究弹性植物的进化

智利人员把植物和土壤samples-preserved液态氮- 1000英里回到实验室中表达的基因序列32主导植物阿塔卡马和评估基于DNA序列相伴的植物土壤微生物。他们发现,一些植物物种发展刺激细菌根部附近,一个自适应策略优化的摄入也对植物营养重要情况阿塔卡马的缺氮的土壤上生长。

确定蛋白质的基因序列在阿塔卡马物种适应,纽约大学的研究人员使用一种方法称为phylogenomics下进行了分析,旨在重建进化历史使用基因组数据。咨询与同事在纽约植物园,他们比较基因组的32阿塔卡马植物32 non-adapted但基因相似的“妹妹”的物种,以及几个模型的物种。

“我们的目标是使用这个基于基因组序列的进化树识别基因编码的氨基酸序列的变化,支持阿塔卡马沙漠植物适应环境的演变,“Coruzzi说。

“这计算强烈的基因组分析比较1686950蛋白质序列70多个物种。我们使用的8599764个氨基酸产生的超级矩阵phylogenomic重建阿塔卡马物种的进化历史,”吉尔Eshel说进行了分析使用高性能计算集群在纽约大学。

研究确定了265个候选基因的蛋白质序列变化选择跨多个阿塔卡马物种进化的力量。这些适应性突变发生在基因可能构成植物适应沙漠环境,包括光与光合作用基因参与反应,这可能使植物适应极端标签辐射在阿塔卡马。同样,研究人员发现基因参与调节应激反应,盐,解毒,和金属离子,这可能与这些阿塔卡马植物的适应压力,贫瘠的环境。

我们可以从这里学到“基因宝库”

大多数植物应激反应和宽容的科学知识生成通过使用一些传统的实验室研究模型的物种。而有益的,这样的分子研究可能错过了生态环境中植物进化。

“通过研究一个生态系统在自然环境下,我们能够识别自适应物种间的基因和分子过程面临着一个共同的恶劣的环境,”说Viviana Araus古铁雷斯智利天主教大学的前纽约大学博士后研究员的实验室和中心的基因组学和系统生物学。

“大多数植物物种我们特征的研究还没有被研究过。像一些阿塔卡马植物是密切相关的主要农作物,包括谷物、豆类、土豆,我们确定的候选基因遗传金矿工程师代表更具弹性的作物,必须考虑到增加地球的沙漠化,”古铁雷斯说。

参考:Eshel G, Araus V, Undurraga年代,et al。植物生态基因组学在阿塔卡马沙漠生活的限制。《科学。2021;118年(46):e2101177118。doi:10.1073 / pnas.2101177118。

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