水平基因转移的重大事件推动了陆地植物的进化
据国际在线:数亿年前从微生物转移到绿藻的基因可能推动了陆地植物的进化。一项分析表明,来自细菌、真菌和病毒的数百种基因已被整合到植物中,使后者具有适于陆地生活的特性。3月2日,相关论文发表于《分子植物》。
“我们的研究改变了陆地植物进化的传统观点。”论文通讯作者、美国东卡罗来纳大学生物学专家黄金玲(音译)说,“我猜测水平基因转移(HGT)有助于植物从水中来到陆地上,但直到现在我们才知道它发挥了多大的作用。”
HGT描述了遗传物质在不同物种之间的移动。基因组交换事件在细菌中很常见,从而导致这些原核生物抗生素的耐药性快速传播。但是HGT在复杂的多细胞真核生物如植物和动物中的作用仍然存在争议。
传统上,科学家认为真核生物的基因只能进行垂直基因转移,在这个过程中,基因从父母传给后代,突变会产生新的基因和特征。但黄金玲和论文共同通讯作者、河南大学生命科学学院教授宋纯鹏等之前已经发现植物中HGT的常见证据。
为了研究HGT在植物进化中的作用,他们分析了31种植物的基因组。这些植物来自4个植物群,包括苔藓、蕨类、树木和轮藻(属于与现代陆地植物相关的绿藻)。他们发现,现代植物中有近600个基因家族是从其他生物体,特别是细菌和真菌等微生物中转移过来的。这个数字远远超过之前认为的规模。
此外,研究小组还发现,轮藻早期进化和陆生植物起源中有两个主要的HGT阶段,有超过100个基因家族从微生物“跳”到植物。
“我们的发现表明HGT在陆地植物进化中起着重要作用。与垂直基因转移的突变相比,HGT能使植物迅速获得新性状,其中一些新性状可以帮助植物适应截然不同的环境,比如从水中转移到陆地上。”黄金玲说。
许多新获得的基因在植物中具有重要的生物功能。例如,胚胎发生晚期丰富的基因也来自细菌,从而帮助植物适应干燥的环境;从真菌中获得的铵转运基因,帮助植物从土壤中吸收氮。
“几乎每个人在切洋葱的时候都有过流泪的经历。我们发现洋葱中产生催泪剂的基因实际上来自细菌,并且直到现在才意识到这是HGT的结果。像这样的例子还有很多。”黄金玲说。
接下来,该团队计划进一步探索苔藓植物中基因的转移。这些植物中的许多外来基因都有未知功能,进一步研究将有助于确定更多相关基因。有朝一日,这些基因可以被转移到作物上,以增强它们的适应性。
相关论文信息:
相关报道:植物从水中“走”向陆地,水平基因转移或起到重要作用
据CellPress细胞科学:研究人员报告说,数亿年前从微生物转移到绿藻的基因可能推动了陆地植物的进化。分析表明,来自细菌、真菌和病毒的数百种基因已被整合到植物中,使后者具有适于陆地生活的特性。3月2日,相关论文刊登于细胞出版社(Cell Press)旗下期刊 Molecular Plant上。
“我们的研究改变了陆地植物进化的传统观点。”论文通讯作者、美国东卡罗莱纳大学生物学家 Jinling Huang说,“我猜测水平基因转移(HGT)有助于植物从水中来到陆地上,但直到现在我们才知道它发挥了多大的作用。”
HGT描述了遗传物质在不同物种之间的移动。基因组交换事件在细菌中很常见,导致了这些原核生物抗生素耐药性的快速传播。但是HGT在复杂的多细胞真核生物如植物和动物中的作用仍然存在争议。
传统上,科学家们认为真核生物的基因只能通过垂直基因转移来移动,在这个过程中,基因从父母传给后代,突变会产生新的基因和特征。但是Huang和同事,包括河南大学植物生物学家宋纯鹏,之前已经发现植物中的HGT可能很常见的证据。
为了研究HGT在植物进化中的作用,研究人员分析了31种植物的基因组。这些植物来自4个植物群,包括苔藓、蕨类、树木和轮藻(属于与现代陆地植物相关的绿藻)。他们发现,现代植物中有近600个基因家族是从其他生物体,特别是细菌和真菌等微生物中转移过来的。这个数字远远超过之前认为的规模。
此外,研究小组还发现,在轮藻早期进化和陆生植物起源中,有两个主要的HGT阶段,有超过100个基因家族从微生物“跳”到植物。
“我们的发现表明HGT在陆地植物进化中起着重要作用。与垂直基因转移的突变相比,HGT能使植物迅速获得新性状,其中一些新性状可以帮助植物适应截然不同的环境,比如从水中转移到陆地上。”Huang说。
许多新获得的基因在植物中具有重要的生物功能。例如,胚胎发生晚期丰富的基因也来自细菌,帮助植物适应干燥的环境。从真菌中获得的铵转运基因,帮助植物从土壤中吸收氮来生长。
“几乎每个人在切洋葱的时候都有过流泪的经历。我们发现洋葱中负责产生催泪剂的基因实际上来自细菌。我们直到现在才意识到这是HGT的结果。像这样的例子还有很多。”Huang说。
接下来,该团队计划进一步探索苔藓植物中基因的转移。这些植物中的许多外来基因都有未知功能,进一步研究将有助于确定合适的基因,有朝一日这些基因可以被转移到作物上,以增强它们的适应性。
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