PNAS— 王文琴課題組揭示水生植物浮萍的進(jìn)化和環(huán)境適應(yīng)新機(jī)制
? ? ? ?2019年9月3日，PNAS（美國(guó)科學(xué)院院報(bào)）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)王文琴課題組題為“Plant evolution and environmental adaptation unveiled by long-read whole-genome sequencing of Spirodela”的研究論文。該研究利用三代PacBio單分子測(cè)序技術(shù)拼裝出高質(zhì)量的浮萍基因組，并揭示了浮萍根系功能和水生植物適應(yīng)環(huán)境的新機(jī)制。
? ? ? ?浮萍為世界上最小的單子葉開(kāi)花植物，它生活于水體中，具有適應(yīng)性強(qiáng)，分布廣，淀粉含量豐富等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的生物能源植物，同時(shí)可以高效吸收富營(yíng)養(yǎng)和重金屬污染水體中的氮、磷及銅、砷等元素，是一種有應(yīng)用前景的生物清潔植物。2014年由美國(guó)能源部資助的第一版浮萍基因組為浮萍功能基因組學(xué)和分子生物學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的參考序列，并且開(kāi)啟了工業(yè)化應(yīng)用的大門。但是第一版基因組是基于二代短讀長(zhǎng)測(cè)序，拼裝出了16,055個(gè)短片段并導(dǎo)致11.8%的序列缺失。隨著測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的快速發(fā)展，該研究重新利用三代PacBio單分子長(zhǎng)讀長(zhǎng)的測(cè)序優(yōu)勢(shì)，拼裝出的序列連續(xù)性比上一版基因組提升了44倍，填補(bǔ)了上一版95.4%的序列丟失區(qū)域，鑒定到了更多的完整LTR序列和嵌套LTR區(qū)間，為浮萍的生物學(xué)研究提供了更優(yōu)質(zhì)的參考基因組。
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圖一：浮萍基因組結(jié)構(gòu)特征比較
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? ? ? ?與陸生植物不同，浮萍不需要強(qiáng)烈依賴根系吸收營(yíng)養(yǎng)，被液體包圍的植物組織可代替完成根的營(yíng)養(yǎng)吸收，從而導(dǎo)致浮萍根的退化。從根組織細(xì)胞學(xué)觀察、根發(fā)育相關(guān)基因挖掘和根系營(yíng)養(yǎng)元素吸收能力研究等方面證明了浮萍的根系主要是不定根且功能發(fā)生明顯的退化。此外，異于陸生植物的免疫系統(tǒng)，編碼抗微生物肽等抗病基因串聯(lián)重復(fù)擴(kuò)增且組成型表達(dá)，與浮萍中24nt siRNA低水平表達(dá)相一致，從而增強(qiáng)了浮萍對(duì)病原體和微生物的抗性，增強(qiáng)了其對(duì)水生環(huán)境的適應(yīng)性，間接佐證了浮萍可以全球分布的優(yōu)良特性。
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圖二：浮萍根組織結(jié)構(gòu)退化和根發(fā)育相關(guān)基因丟失
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? ? ? ?該研究由上海交通大學(xué)王文琴課題組與美國(guó)羅格斯大學(xué)衛(wèi)克曼微生物研究所Joachim Messing院士合作完成，上海交通大學(xué)博士后安冬和中國(guó)科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所博士后周勇為論文共同第一作者，博士后李長(zhǎng)生、研究生肖俏、王濤、張雅婷參與了該工作。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)目同時(shí)得到中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所巫永睿研究組，晁代印研究組和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所李玉斌研究員的大力支持。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/09/03/1910401116
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Significance
? ? ? ?Constant exposure of aquatic plants to freely exchangeable nutrients and pathogenic microbes requires regulation of gene expression different to land plants. However, short-read sequencing platforms fail to provide vital information that comprises genes involved in the response to such a challenge. Here, we applied long-read sequencing to retrieve missing sequences to the duckweed species of?Spirodela polyrhiza. Evolution of the genetic network and root morphology show that roots play a function as sea-anchors rather than nutrient uptake. Moreover, disease-resistance gene clusters are constitutively active, whereas they are silenced by phasiRNA in land plants.
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外媒鏈接：
Rutgers Today:?http://go.rutgers.edu/vk9haame
EurekAlert!:?https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/ru-prc090419.php
Newswise:?https://www.newswise.com/articles/plant-research-could-benefit-wastewater-treatment-biofuels-and-antibiotics
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