在廣袤的北方旱區(qū)，檸條是一種再常見(jiàn)不過(guò)的灌木。它不僅是防風(fēng)固沙、水土保持的“生態(tài)衛(wèi)士”，也是牧區(qū)牛羊的“救命草”。然而，這種看似平凡的植物，卻隱藏著適應(yīng)極端干旱環(huán)境的“超能力”。近日，蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)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(jī)制。這一研究成果為旱區(qū)生態(tài)修復(fù)和農(nóng)業(yè)育種提供了重要的理論依據(jù)和基因資源。相關(guān)論文發(fā)表于《植物雜志》。
甘肅張掖檸條育種基地。武生聃攝。
檸條：旱區(qū)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的“雙料功臣”
檸條是我國(guó)北方旱區(qū)生態(tài)建設(shè)的重要樹(shù)種，廣泛分布于黃土高原、河西走廊等地區(qū)。作為三北防護(hù)林工程的主要植物之一，檸條在防風(fēng)固沙、水土保持方面發(fā)揮了不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，檸條在灌木造林面積中占比超過(guò)一半，是旱區(qū)生態(tài)修復(fù)的“主力軍”。
作為主要從事旱區(qū)植物多組學(xué)、生態(tài)適應(yīng)與進(jìn)化研究的科研人員，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)檸條的選擇既有深厚的情感，也有科學(xué)的考量。“我來(lái)自黃土高原半干旱區(qū)，小時(shí)候參與退耕還林，種植的就是檸條，因此對(duì)它非常熟悉。”論文通訊作者、蘭州大學(xué)青年研究員武生聃2020初到蘭州大學(xué)工作后，每年都會(huì)到西北的荒漠開(kāi)展野外考察，每次考察都發(fā)現(xiàn)檸條非常重要，生態(tài)適應(yīng)性極強(qiáng)，從黃土高原偏半旱區(qū)的水土保持人工灌木林到河西走廊干旱區(qū)種植的固沙灌木林植被都有它的身影，大約占據(jù)了灌木造林的一半以上，是三北防護(hù)林工程建設(shè)的“功臣”。
除了生態(tài)價(jià)值，檸條還是牧區(qū)的重要飼料來(lái)源。其枝葉富含粗蛋白和微量元素，被譽(yù)為“牲口救命草”。在內(nèi)蒙古、甘肅等地的牧區(qū)，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(yè)中的更廣泛應(yīng)用。
“檸條是個(gè)寶，既是林又是草，防風(fēng)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(qū)的民謠，生動(dòng)地概括了檸條的多重價(jià)值。
武生聃表示：“我們計(jì)劃解析檸條基因組及其抗旱機(jī)理，下一步重點(diǎn)是解析調(diào)控刺發(fā)育的關(guān)鍵基因，通過(guò)遺傳改良培育少刺或無(wú)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(guān)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(tài)和經(jīng)濟(jì)上具有重要價(jià)值，但相比其他牧草，研究較少。然而，這些鄉(xiāng)土灌木在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)與脅迫環(huán)境的對(duì)抗、選擇和適應(yīng)，獲得了逆境適應(yīng)的“超能力”。
“解析其遺傳密碼是回答上述問(wèn)題的關(guān)鍵” 武生聃表示，為揭示檸條適應(yīng)干旱環(huán)境的遺傳機(jī)制，科研團(tuán)隊(duì)采用三代長(zhǎng)讀長(zhǎng)和二代短讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)，結(jié)合Hi-C技術(shù)，完成了檸條的全基因組測(cè)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(lái)了一定挑戰(zhàn)，但團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)優(yōu)化，成功獲得了高質(zhì)量的染色體水平參考基因組序列，注釋了36,219個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。
在解碼過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)遇到了檸條雜合度相對(duì)較高導(dǎo)致的部分序列無(wú)法準(zhǔn)確掛載問(wèn)題。但通過(guò)與內(nèi)蒙古農(nóng)大李國(guó)婧教授團(tuán)隊(duì)的緊密合作，正在利用最新技術(shù)進(jìn)行第二版本更高質(zhì)量的檸條分單倍型的完整基因組解析。
“我們都知道，對(duì)于木本非模式物種，想要開(kāi)展基因功能的驗(yàn)證非常困難，因?yàn)闃?gòu)建實(shí)驗(yàn)體系很難，傳統(tǒng)上都是在模式植物擬南芥中進(jìn)行驗(yàn)證。”通過(guò)一系列比較基因組學(xué)的分析并利用在檸條中建立的實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行基因功能驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)檸條適應(yīng)極端干旱生境的遺傳基礎(chǔ)主要源于抗逆基因的串聯(lián)復(fù)制。例如，脫水蛋白DHN基因在近緣的蒺藜苜蓿中只有1個(gè)拷貝，而在檸條中則串聯(lián)復(fù)制產(chǎn)生了7個(gè)拷貝，且這些拷貝在干旱脅迫下都是高表達(dá)的，確實(shí)能夠增強(qiáng)其抗旱能力。這些基因就像是檸條的“護(hù)身符”，幫助它在極端干旱環(huán)境中保護(hù)細(xì)胞、修復(fù)損傷。
此外，為了讓檸條的基因組數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于旱寒區(qū)科研工作者和助力檸條的功能基因組學(xué)研究，研究團(tuán)隊(duì)還搭建了檸條組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)分析平臺(tái)CakorDB。科研工作者可以通過(guò)訪問(wèn)該平臺(tái)獲取檸條的基因組和注釋數(shù)據(jù)，進(jìn)行基因的查詢、序列比對(duì)和可視化等操作。
檸條植株。李國(guó)婧攝。
檸條全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色發(fā)展展望
“這項(xiàng)研究將有助于精準(zhǔn)選育檸條新品種。”武生聃表示，揭示檸條干旱適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)意味著能夠明確與干旱適應(yīng)相關(guān)的基因。在育種過(guò)程中，可以以此為標(biāo)記，對(duì)檸條進(jìn)行精準(zhǔn)篩選。例如，通過(guò)檢測(cè)特定的抗旱基因，快速準(zhǔn)確地挑選出具有較強(qiáng)抗旱潛力的檸條植株進(jìn)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(shù)（如CRISPR-Cas9），團(tuán)隊(duì)可以有針對(duì)性地改良檸條的根系結(jié)構(gòu)、葉片和刺特性等，進(jìn)一步提升其抗旱能力和飼用價(jià)值。研究團(tuán)隊(duì)已將檸條的關(guān)鍵抗旱基因轉(zhuǎn)入大豆中，初步實(shí)驗(yàn)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(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)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(chǔ)，篩選出抗旱性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)成分高的品種進(jìn)行重點(diǎn)繁育，建立種質(zhì)資源庫(kù)，為大規(guī)模種植提供優(yōu)質(zhì)種苗。同時(shí)，結(jié)合北方旱區(qū)的氣候和土壤條件，合理規(guī)劃?rùn)帡l種植區(qū)域，提高資源利用效率和成活率。此外，還可以開(kāi)發(fā)檸條保健品、化妝品原料和生物質(zhì)能源等，提升檸條的附加值。”
相關(guān)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(qū)生態(tài)修復(fù)與農(nóng)業(yè)育種http://www.lensthegame.com/show-11-17817-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營(yíng)利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。
上一篇： 對(duì)話“世界屋脊”