種微小的蕨類植物擁有地球上所有生物中最大的基因組

在《iScience》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，來(lái)自英國(guó)皇家植物園邱園和西班牙巴塞羅那植物研究所(IBB-CSIC)的研究人員發(fā)現(xiàn)了地球上生物細(xì)胞核中儲(chǔ)存的DNA量最多的新紀(jì)錄。

新喀里多尼亞叉蕨類植物Tmesipterisoblanceolata的DNA長(zhǎng)度超過(guò)100米，其DNA含量是人類的50多倍，超過(guò)了自2010年以來(lái)一直保持這一紀(jì)錄的日本開花植物巴黎花。

此外，該植物還獲得了三項(xiàng)吉尼斯世界紀(jì)錄稱號(hào)，分別是“最大的植物基因組”、“最大的基因組”和“最大的蕨類植物基因組”(就細(xì)胞核中的DNA數(shù)量而言)。

T.oblanceolata是一種稀有的蕨類植物，產(chǎn)于島國(guó)新喀里多尼亞，這是法國(guó)的海外領(lǐng)土，位于西南太平洋，距離澳大利亞?wèn)|部約750英里，以及瓦努阿圖等一些鄰近島嶼。Tmesipteris屬是一類研究不足的植物，由大約15種物種組成，其中大多數(shù)分布在一系列太平洋島嶼和大洋洲。

到目前為止，科學(xué)家僅估計(jì)了兩種Tmesipteris(T.tannensis和T.obliqua)基因組的大小，發(fā)現(xiàn)它們都含有巨大的基因組，分別為73.19和147.29千兆堿基對(duì)(Gbp)。

2023年，論文的主要作者JaumePellicer博士和OrianeHidalgo博士(來(lái)自IBB，曾就職于RBGKew)前往新喀里多尼亞收集Tmesipteris樣本，然后對(duì)其進(jìn)行分析以估計(jì)其基因組的大小。這需要分離數(shù)千個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核，用染料染色，然后測(cè)量每個(gè)細(xì)胞核內(nèi)有多少染料與DNA結(jié)合——染料越多，基因組就越大。

分析顯示，T.oblanceolata物種的基因組大小達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的160.45Gbp，比P.japonica(148.89Gbp)大約7%。

解開后，這種蕨類植物的每個(gè)細(xì)胞中的DNA都比倫敦威斯敏斯特的伊麗莎白塔還要高，伊麗莎白塔高96米，是世界著名的大本鐘的所在地。相比之下，人類基因組包含約3.1Gbp，分布在23條染色體上，當(dāng)像毛線球一樣拉開時(shí)，每個(gè)細(xì)胞中的DNA長(zhǎng)度只有約2米。

進(jìn)化生物學(xué)研究員佩利瑟博士表示：“Tmesipteris是一種獨(dú)特而迷人的蕨類小屬，它的祖先大約在3.5億年前進(jìn)化而來(lái)——遠(yuǎn)在恐龍?zhí)ど系厍蛑?mdash;—它以附生習(xí)性(主要生長(zhǎng)在樹干和樹枝上)和大洋洲和幾個(gè)太平洋島嶼的有限分布為特征。

“長(zhǎng)期以來(lái)，我們都認(rèn)為打破日本重樓的尺寸記錄是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，但生物學(xué)的極限再一次超出了我們最樂(lè)觀的預(yù)測(cè)。

“根據(jù)我們之前的研究，我們預(yù)計(jì)Tmesipteris中存在巨大的基因組。也就是說(shuō)，發(fā)現(xiàn)其中最大的基因組不僅僅是一項(xiàng)科學(xué)探索壯舉，也是近十四年來(lái)探索植物基因組無(wú)限復(fù)雜性和多樣性的結(jié)果。”

迄今為止，全球科學(xué)家已估算了20,000多種真核生物的基因組大小，并在此過(guò)程中揭示了生命樹中基因組大小的廣泛差異。反過(guò)來(lái)，這些差異不僅對(duì)它們的解剖學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，因?yàn)楦蟮幕蚪M需要更大的細(xì)胞來(lái)容納它們，并且需要更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行復(fù)制，而且還影響它們的功能、進(jìn)化以及它們的生存地點(diǎn)和方式。

在動(dòng)物中，一些最大的基因組包括大理石肺魚(Protopterusaethiopicus)，其基因組大小為129.90Gbp，以及紐斯河水狗(Necturuslewisi)，其基因組大小為117.47Gbp。與此形成鮮明對(duì)比的是，已知最大的六個(gè)真核生物基因組都存在于植物中，其中包括歐洲槲寄生(Viscumalbum)，其基因組大小為100.84Gbp。

令人驚訝的是，擁有較大的基因組通常并不是一種優(yōu)勢(shì)。就植物而言，擁有大量DNA的物種只能成為生長(zhǎng)緩慢的多年生植物，光合作用效率較低(植物將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為糖的過(guò)程)，需要更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(尤其是氮和磷酸鹽)才能生長(zhǎng)并與基因組較小的鄰居成功競(jìng)爭(zhēng)。反過(guò)來(lái)，這些影響可能會(huì)影響植物適應(yīng)氣候變化的能力及其滅絕風(fēng)險(xiǎn)。

皇家植物園邱園特性進(jìn)化高級(jí)研究員IliaLeitch博士表示：“誰(shuí)會(huì)想到這種大多數(shù)人走過(guò)時(shí)都不會(huì)注意到的微小、不起眼的植物，會(huì)擁有世界紀(jì)錄的基因組大小。

“與其他生物相比，從DNA層面來(lái)看，植物的多樣性令人難以置信，這應(yīng)該讓我們停下來(lái)思考它們?cè)谌蛏锒鄻有愿鼜V闊的圖景中的內(nèi)在價(jià)值。這一發(fā)現(xiàn)還提出了許多關(guān)于生物學(xué)可能性上限的新問(wèn)題，我們希望有一天能解開這些謎團(tuán)。”

吉尼斯世界紀(jì)錄執(zhí)行主編亞當(dāng)·米爾沃德表示：“這種看上去無(wú)害的蕨類植物所含的DNA是人類的50倍，這提醒我們，植物界還有很多我們不知道的東西，而紀(jì)錄保持者并不總是外表最耀眼的。”

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