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我校王文琴课题组揭示水生植物浮萍的进化和环境适应新机制

发布时间:2019-09-06  阅读次数:1082

       2019年9月3日,PNAS(美国科大发888娱乐院报)在线发表了大发888老虎机交通大学王文琴课题组题为“Plant evolution and environmental adaptation unveiled by long-read whole-genome sequencing of Spirodela”的研究论文。该研究利用三代PacBio单分子测序技术拼装出高质量的浮萍基因组,并揭示了浮萍根系功能和水生植物适应环境的新机制。

       浮萍为世界上最小的单子叶开花植物,它生活于水体中,具有适应性强,分布广,淀粉含量丰富等特点,是一种优良的生物能源植物,同时可以高效吸收富营养和重金属污染水体中的氮、磷及铜、砷等元素,是一种有应用前景的生物清洁植物。2014年由美国能源部资助的第一版浮萍基因组为浮萍功能基因组学和分子生物学研究提供了强有力的参考序列,并且开启了工业化应用的大门。但是第一版基因组是基于二代短读长测序,拼装出了16,055个短片段并导致11.8%的序列缺失。随着测序技术和生物信息学的快速发展,该研究重新利用三代PacBio单分子长读长的测序优势,拼装出的序列连续性比上一版基因组提升了44倍,填补了上一版95.4%的序列丢失区域,鉴定到了更多的完整LTR序列和嵌套LTR区间,为浮萍的生物学研究提供了更优质的参考基因组。

 

 

图一:浮萍基因组结构特征比较

 

       与陆生植物不同,浮萍不需要强烈依赖根系吸收营养,被液体包围的植物组织可代替完成根的营养吸收,从而导致浮萍根的退化。从根组织细胞学观察、根发育相关基因挖掘和根系营养元素吸收能力研究等方面证明了浮萍的根系主要是不定根且功能发生明显的退化。此外,异于陆生植物的免疫系统,编码抗微生物肽等抗病基因串联重复扩增且组成型表达,与浮萍中24nt siRNA低水平表达相一致,从而增强了浮萍对病原体和微生物的抗性,增强了其对水生环境的适应性,间接佐证了浮萍可以全球分布的优良特性。

 

 

图二:浮萍根组织结构退化和根发育相关基因丢失

 

       该研究由大发888老虎机交通大学王文琴课题组与美国罗格斯大学卫克曼微生物研究所Joachim Messing院士合作完成,大发888老虎机交通大学博士后安冬和中国科大发888娱乐植物生理生态研究所博士后周勇为论文共同第一作者,博士后李长生、研究生肖俏、王涛、张雅婷参与了该工作。相关工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。该项目同时得到中国科大发888娱乐大发888老虎机植物生理生态研究所巫永睿研究组,晁代印研究组和中国农业科大发888娱乐生物技术研究所李玉斌研究员的大力支持。

原文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/09/03/1910401116

 

 

 

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.

 

外媒链接:

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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