在廣袤的北方旱區，檸條是一種再常見不過的灌木。它不僅是防風固沙、水土保持的“生態衛士”，也是牧區牛羊的“救命草”。然而，這種看似平凡的植物，卻隱藏著適應極端干旱環境的“超能力”。近日，蘭州大學生態學院科研團隊與合作者成功解碼了檸條的染色體水平參考基因組序列，并揭示了其抗旱的分子機制。這一研究成果為旱區生態修復和農業育種提供了重要的理論依據和基因資源。相關論文發表于《植物雜志》。
甘肅張掖檸條育種基地。武生聃攝。
檸條：旱區生態與經濟的“雙料功臣”
檸條是我國北方旱區生態建設的重要樹種，廣泛分布于黃土高原、河西走廊等地區。作為三北防護林工程的主要植物之一，檸條在防風固沙、水土保持方面發揮了不可替代的作用。據統計，檸條在灌木造林面積中占比超過一半，是旱區生態修復的“主力軍”。
作為主要從事旱區植物多組學、生態適應與進化研究的科研人員，研究團隊對檸條的選擇既有深厚的情感，也有科學的考量。“我來自黃土高原半干旱區，小時候參與退耕還林，種植的就是檸條，因此對它非常熟悉。”論文通訊作者、蘭州大學青年研究員武生聃2020初到蘭州大學工作后，每年都會到西北的荒漠開展野外考察，每次考察都發現檸條非常重要，生態適應性極強，從黃土高原偏半旱區的水土保持人工灌木林到河西走廊干旱區種植的固沙灌木林植被都有它的身影，大約占據了灌木造林的一半以上，是三北防護林工程建設的“功臣”。
除了生態價值，檸條還是牧區的重要飼料來源。其枝葉富含粗蛋白和微量元素，被譽為“牲口救命草”。在內蒙古、甘肅等地的牧區，檸條是牛羊越冬的重要飼草。然而，檸條植株上的短刺影響了其適口性，限制了其在畜牧業中的更廣泛應用。
“檸條是個寶，既是林又是草，防風固沙保耕地，放牧燒柴做肥料，還是牲口救命草。”這首流傳于西北牧區的民謠，生動地概括了檸條的多重價值。
武生聃表示：“我們計劃解析檸條基因組及其抗旱機理，下一步重點是解析調控刺發育的關鍵基因，通過遺傳改良培育少刺或無刺檸條。”此外，檸條是豆科錦雞兒屬植物，不僅可以固氮改良土壤，其關鍵抗逆基因還可用于改良近緣的豆科作物。
黃土高原人工檸條灌木林。方向文攝。
解碼檸條基因組：揭示抗旱“超能力”的遺傳密碼
盡管檸條在生態和經濟上具有重要價值，但相比其他牧草，研究較少。然而，這些鄉土灌木在長期進化過程中，通過與脅迫環境的對抗、選擇和適應，獲得了逆境適應的“超能力”。
“解析其遺傳密碼是回答上述問題的關鍵” 武生聃表示，為揭示檸條適應干旱環境的遺傳機制，科研團隊采用三代長讀長和二代短讀長測序技術，結合Hi-C技術，完成了檸條的全基因組測序，并將其錨定到染色體水平。盡管檸條的雜交度較高，給基因組組裝帶來了一定挑戰，但團隊通過技術優化，成功獲得了高質量的染色體水平參考基因組序列，注釋了36,219個蛋白質編碼基因。
在解碼過程中，研究團隊遇到了檸條雜合度相對較高導致的部分序列無法準確掛載問題。但通過與內蒙古農大李國婧教授團隊的緊密合作，正在利用最新技術進行第二版本更高質量的檸條分單倍型的完整基因組解析。
“我們都知道，對于木本非模式物種，想要開展基因功能的驗證非常困難，因為構建實驗體系很難，傳統上都是在模式植物擬南芥中進行驗證。”通過一系列比較基因組學的分析并利用在檸條中建立的實驗體系進行基因功能驗證，研究團隊發現檸條適應極端干旱生境的遺傳基礎主要源于抗逆基因的串聯復制。例如，脫水蛋白DHN基因在近緣的蒺藜苜蓿中只有1個拷貝，而在檸條中則串聯復制產生了7個拷貝，且這些拷貝在干旱脅迫下都是高表達的，確實能夠增強其抗旱能力。這些基因就像是檸條的“護身符”，幫助它在極端干旱環境中保護細胞、修復損傷。
此外，為了讓檸條的基因組數據更好地服務于旱寒區科研工作者和助力檸條的功能基因組學研究，研究團隊還搭建了檸條組學數據庫分析平臺CakorDB。科研工作者可以通過訪問該平臺獲取檸條的基因組和注釋數據，進行基因的查詢、序列比對和可視化等操作。
檸條植株。李國婧攝。
檸條全產業鏈的綠色發展展望
“這項研究將有助于精準選育檸條新品種。”武生聃表示，揭示檸條干旱適應的遺傳基礎意味著能夠明確與干旱適應相關的基因。在育種過程中，可以以此為標記，對檸條進行精準篩選。例如，通過檢測特定的抗旱基因，快速準確地挑選出具有較強抗旱潛力的檸條植株進行繁殖，大大提高育種效率，縮短育種周期。
此外，利用基因編輯技術（如CRISPR-Cas9），團隊可以有針對性地改良檸條的根系結構、葉片和刺特性等，進一步提升其抗旱能力和飼用價值。研究團隊已將檸條的關鍵抗旱基因轉入大豆中，初步實驗表明這些基因能夠顯著提升大豆的抗旱能力，為全球干旱地區的農業發展提供了新的解決方案。
武生聃還提到：“我們可以基于檸條的遺傳基礎，篩選出抗旱性強、營養成分高的品種進行重點繁育，建立種質資源庫，為大規模種植提供優質種苗。同時，結合北方旱區的氣候和土壤條件，合理規劃檸條種植區域，提高資源利用效率和成活率。此外，還可以開發檸條保健品、化妝品原料和生物質能源等，提升檸條的附加值。”
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.17255
本文鏈接：檸條抗旱“超能力”揭秘！助力旱區生態修復與農業育種http://www.lensthegame.com/show-11-17817-0.html
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