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破译买麻藤完整生命信息

深圳领衔的科研成果登上《自然-植物》杂志 为“百年之争”提供新视角
百岁兰
麻黄
买麻藤

  以买麻藤、百岁兰、麻黄为代表的买麻藤类植物,作为种子植物的5大划分类群之一,对于它的起源、进化,各种理论假说层出不穷,号称植物学界的“百年之争”。

  昨日,深圳市城管局举行新闻发布会宣布,由仙湖植物园领衔的“买麻藤类植物基因组计划”,其研究成果于北京时间1月30日登上国际顶级科学杂志《自然-植物》(Nature Plants),为“百年之争”提供了新的视角。

  文、图/广州日报全媒体记者崔宁宁 通讯员崔嵩

  研究:破买麻藤类植物的“百年之争”

  在昨日的发布会现场摆放了三盆植物:买麻藤、百岁兰、麻黄。从外表来看,三盆植物形态各异,买麻藤枝繁叶茂,麻黄茎枝细长,百岁兰叶子宽且长。仙湖植物园万涛副研究员介绍说,别看长得不一样,它们都是现存世界上35万余种种子植物里面的五大划分类群之一——买麻藤类植物。其余四类分别为:苏铁类、松柏类、银杏、有花植物。

  正是因为买麻藤类植物的形态特征迥异,一个世纪以来,对其起源以及演化适应等问题一直存在争论,尤其是它们到底位于种子植物生命之树的哪个位置,各种理论假说层出不穷。

  万涛说,从最早提出的“假花学说”,种子植物姐妹群,裸子植物姐妹群,再到近期的松科姐妹群假说,一共有6种截然不同的系统位置推断。

  万涛介绍,买麻藤类植物在种子植物的进化历程上扮演着极为关键的角色,当科学家尝试推导重现早期种子植物进化脉络时,买麻藤这一类植物到底是从何时起源,成为无法跨越和逃避的问题。“这甚至影响到我们现在沿用的植物学教材中的很多内容。”万涛说。

  成果:

  发现第三种种子植物

  重复序列进化模式

  鉴于买麻藤类植物的科学意义,仙湖植物园于2013年先后开展多次国际专题研讨会,国内外知名院士、专家学者一致认为非常有必要启动实施这一计划,依托仙湖植物园的研究基础,联合多方合作单位共同攻关。

  据悉,“买麻藤类植物基因组计划”项目攻关团队成员包括了中国科学院中-非联合研究中心、深圳市兰科中心、诺禾致源、根特大学、英国皇家植物园(邱园)、英国玛丽皇后大学、中科院植物所、中科院武汉植物园、   武汉大学、复旦大学、美国东卡大学等十多个   国内外知名科研院所。

  万涛介绍,买麻藤的基因组大小为4.5G, 属于典型的高杂合、高重复的复杂大基因组。他们团队研发了新的测序组装软件,完成了世界上第一张较高质量的裸子植物基因组遗传图谱,这为研究早期种子植物的分歧演化提供了重要关键的数据资源。通过分析和研究,万涛等人发现,买麻藤的基因组保留着相对有效的重复序列消除机制,这点显著区别于已报道的其他裸子植物基因组特征,从侧面说明了为什么它的基因组没有变得那么大,像其他裸子植物动辄都十几个G。

  更重要的是,买麻藤的这个特征和无油樟极其类似,无油樟基因组已被证明保留着许多早期被子植物祖先基因组的古老特征,它的重复序列进化模式跟其他被子植物有着显著的区别,这样一种模式代表着早期种子植物基因组演化的另外一种方式。

  “这是我们的第一个重要发现,即发现了第三种种子植物重复序列进化模式。”万涛说。

  此外,研究的另一个重要发现是通过基因组学比较分析,揭示了早期种子植物不同分支的基因组演化历史并推导了其共同最近祖先的古老基因组特征。

  应用:

  买麻藤提取物能抗肿瘤

  看似高精尖的科研项目,在科学家看来,对买麻藤类植物的基因测序,和普通市民的生活息息相关。

  仙湖植物园管理处副主任张寿洲表示,基因组作为生命信息的承载体,隐含着每种生物的全部秘密。获得一个物种的全基因组序列是加快对此物种了解的重要途径,可为全面研究该物种的生长发育、繁殖、遗传变异、抗逆性、与环境的相互作用(包括抗逆能力)及其遗传改良提供重要的参考和指导信息,为该物种的育种提供全新的手段和广阔的可能空间,大大拓展种质资源中优异基因挖掘的广度和深度,显著提高复杂性状改良的可操作性和新品种选育的效率。

  “在中国,以粮食作物水稻为例,我国是第一个完成水稻全基因组测序的国家,从而在水稻基因遗传资源研究和利用水平上拥有绝对的优势和基础,通过对不同优良品系的水稻种质资源进行全基因组扫描,获得该类群所有的遗传变异信息,结合传统育种方式,极大地提高了育种效率。”张寿洲说。

  深圳市城管局公园管理中心教授级高级工程师王晓明补充介绍称,早在1500年前,买麻藤科植物作为重要的中药材和相关产业原料被广泛重视。

  现代研究发现,买麻藤富含芪类化合物、生物碱类和黄酮类等生物活性成分,据统计,买麻藤科植物所含芪类化合物高达99种、生物碱10种、黄酮类14种。更有研究表明,该科植物提取物对人类某些肿瘤细胞具有潜在的专一性抑制作用,如买麻藤中有56种芪类化合物能够抑制肿瘤细胞HL60的活性,买麻藤是研发抗肿瘤药物的首选物种之一。

  王晓明说,通过对买麻藤完整生命信息的破译,能够对全面研究买麻藤科植物的生长、发育、繁殖、遗传改良提供重要的参考和指导信息,从而抢占其基因遗传资源开发与利用制高点,同时为其下游产业应用打下坚实基础。

 
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