目录
- 要点
- 独一无二的植物
- 百岁兰为何如此特殊？
- 研究是如何进行的
- 百岁兰基因组概览
- 古老的整个基因组复制事件
- 跳跃基因：逆转录转座子的爆发
- DNA甲基化：生存的表观遗传秘密
- 这些发现对科学的意义
- 研究的局限性
- 下一步是什么？未来研究方向
- 常见问题
- 信息来源
要点
- 百岁兰是一种古老的沙漠植物，仅凭两片不断生长的叶子即可存活数千年。
- 其基因组大小超过人类基因组的两倍，且主要由重复DNA组成。
- 约8600万年前的古老整个基因组复制事件提供了额外的基因，随后发生了基因组缩小。
- 百岁兰表现出极高的CHH DNA甲基化，可能是所有植物中最高的，可能抑制了跳跃基因。
- 这些发现可能为未来提高作物抗旱性提供信息，但仍需要进行功能实验。
独一无二的植物
据记载，1865年至1885年担任英国皇家植物园邱园主任的约瑟夫·道尔顿·胡克首次遇到百岁兰时，曾宣称：“这是我国所见过的最奇妙的植物，也是最丑陋的植物之一。”
这位维多利亚时代最受尊敬的植物学家之一的论断历经了惊人的持久力。150多年后的今天，百岁兰以其奇特的外观、非凡的寿命以及几乎超自然的生存能力继续令科学家感到惊叹，这些能力使其能够在杀死几乎所有其他植物的条件下存活下来。
该物种仅生长在非洲的 Kaokoveld Centre，这是一个横跨纳米比亚北部和安哥拉南部的干旱沿海沙漠，年降水量 不足 50 毫米（约 2 英寸）。它属于裸子植物门 Gnetophyta，这是一个古老的谱系——一种包含 Gnetum 属和 Ephedra 属的种子植物。遗传证据表明，Welwitschia 与 Gnetum 在 1.1 亿多年前的白垩纪早期从共同祖先中分化出来，当时恐龙仍在地球上游荡。在巴西的白垩纪早期地层中发现了一个名为 Cratonia cotyledon 的 Welwitschia 幼苗化石，证实了该谱系的古老起源。
百岁兰有何特别之处？
百岁兰最引人注目的特征是其形态：在其整个生命周期中——可以持续数千年——植物只产生两片叶子。这些叶子从基部分生组织（基部活跃分裂细胞的区域）持续生长，科学家将其描述为植物界寿命最长的叶子。
该植物是雌雄异株的，意味着个体植株要么是雄性，要么是雌性，两者都产生球果进行繁殖。最近的分子数据表明存在两个在遗传和地理上截然不同的种群，可能对应于亚种。
几个世纪以来，科学家们一直在争论买麻藤纲在生命之树上的位置。其矛盾的系统发育位置、独特的形态特征以及关键种子植物类群的灭绝激发了各种推测。然而，目前的共识——主要基于基因序列——是买麻藤纲与针叶树的亲缘关系比与其他裸子植物更近，这一假说被称为“Gnepine”、“Gnecup”或“Gnetifer”假说。
研究是如何进行的
为了揭示百岁兰非凡生物学的遗传基础，一个由来自中国科学院、比利时根特大学、伦敦玛丽女王大学和纳米比亚戈巴贝布研究与培训中心科学家领导的国际研究团队进行了全面的基因组分析。
他们结合了两种强大的测序技术来组装百岁兰基因组：
- Oxford Nanopore测序，覆盖度为108×（一种长读长技术，可以读取非常长的DNA片段）
- Illumina测序，覆盖度为134×（一种以高准确性著称的短读长技术）
这种双重方法使团队能够生成一个包含6.86吉碱基（Gb） DNA的染色体水平组装——即68.6亿个碱基对——覆盖了估计7.0 Gb基因组大小的98%。作为参考，人类基因组约为3.2 Gb，因此百岁兰的基因组大小超过我们的两倍多。
研究人员还使用10x Genomics和BioNano Genomics平台对Gnetum montanum（以下简称“Gnetum”）这一相关的买麻藤纲植物进行了改进的高质量基因组组装，以扩展先前组装的支架。这使得两个谱系之间的直接比较成为可能。
为了将DNA序列锚定并排序到染色体中，团队使用了光学图谱和Hi-C（染色体接触）图谱，最终为百岁兰生成了21条假染色体，为Gnetum生成了22条假染色体。这些假染色体代表了百岁兰组装的93.65%（6.43 Gb）和Gnetum组装的86.47%（3.57 Gb）。
在百岁兰中预测了总共26,990个蛋白质编码基因，其中89.11%已通过来自多个组织的RNA测序转录证据或与其他物种基因的直系同源关系得到验证。BUSCO分析——一种评估基因组组装完整性的标准基准——表明已回收了83.47%的基因。对于Gnetum，改进后的组装相比先前版本有了显著增强，支架N50长度为157.93 Mb，鉴定出27,354个基因，并回收了84.6%的BUSCO基因。
除了基因组测序外，研究人员还对甲基组（DNA甲基化模式，一种可以开启或关闭基因的化学修饰）和转录组（所有RNA转录本的集合）在不同组织类型中进行了广泛分析，包括野生植物和温室种植植物的基部分生组织和幼叶。
百岁兰基因组概览
组装好的百岁兰基因组在多个方面令人瞩目。最长的染色体约为551.97 Mb——比最短的染色体长3.3倍。这一观察结果与之前的细胞遗传学研究一致，这些研究表明百岁兰具有端部着丝粒染色体（着丝粒位于非常靠近末端位置的染色体），且其总长度差异显著。
也许最引人注目的发现是重复DNA的丰富程度。86.85%的百岁兰基因组由分布在所有染色体上的重复元件组成。最丰富的重复序列是长末端重复逆转录转座子（LTR-RTs）——一种会自我复制并插入基因组其他位置的“跳跃基因”——它们单独就占基因组的55.26%。
有趣的是，与许多其他植物基因组不同，百岁兰没有显示出基于重复密度的着丝粒区域位置，并且缺乏在买麻藤中存在的亚端粒串联重复序列。
古老的全基因组复制
最重要的发现之一涉及基因组的进化历史。通过分析同义位点每位的同义替换分布（KS）——这是一种衡量重复基因分歧程度的分子钟，研究人员发现了百岁兰独有的古老全基因组复制（WGD）事件的明确证据。
简单来说，全基因组复制意味着在过去某个时刻，植物的全部遗传物质发生了复制，为进化提供了大量的额外基因库，这些基因可以被重新利用以执行新功能。已知此类事件推动了植物主要的进化创新。
数据揭示了：
- KS值接近1的重复基因特征峰值，表明这是一个相对古老的复制事件
- 198对旁系同源基因（源自同一祖先基因的重复基因）位于47个共线性重复区域中
- 222个共线性区域中的额外773个旁系同源基因（旁系同源基因保留但基因顺序被打乱的区域）
跨物种比较提供了更强的证据。在比较两个买麻藤纲植物基因组时，研究人员在买麻藤中识别出21个基因组片段，每个片段对应百岁兰中的两个直系同源片段——如果百岁兰的基因组整体复制而买麻藤没有，就会出现这种模式。
全基因组倍增 (WGD) 的绝对年代测定将其定于大约 86 million years ago，其 90% 置信区间为 78–96 million years ago。这一时间点正值白垩纪晚期，那是一个发生重大地质和气候剧变的时期。
尽管发生了WGD，百岁兰的基因组对于裸子植物来说相对较小。约为6.8 Gb，仅相当于从421个裸子植物物种计算出的平均基因组大小18 Gb/1C的三分之一。这表明虽然百岁兰经历了基因组复制，但也经历了大幅度的基因组缩小——研究人员通过进一步分析逆转录转座子探讨了这一话题。
跳跃基因：逆转录转座子的爆发
逆转录转座子是能够在整个基因组中“复制并粘贴”自身的遗传元件，它们是基因组大小和进化的主要驱动力。研究人员对百岁兰基因组历史的分析揭示了一个引人入胜的近期篇章。
通过测量同一逆转录转座子相邻的 5′ 和 3′ LTR（长末端重复序列）之间的差异，他们发现 在过去的 100 万至 200 万年内，LTR-RT 活性出现了爆发式增长。这种近期的活动涉及以下两个方面：
- 自主元件（编码自身移动所需蛋白质的元件）：13,893个Ty1-copia拷贝和9,999个Ty3-gypsy拷贝
- 非自主元件（缺乏这些蛋白质，需要“借用”自主元件的蛋白质）：10,589个拷贝
这种近期非自主元件爆发的模式已在两种被子植物物种（茶树和稻属物种）中观察到，并且可能是一种随着基因组组装质量提高而变得更加明显的常见现象。假设是，非自主逆转录转座子可能通过竞争扩增所需的蛋白质来抑制完整元件的逆转录频率。
对百岁兰、买麻藤纲植物、Amborella trichopoda（以下简称 Amborella）和 Ginkgo biloba（以下简称 Ginkgo）中完整逆转录转座子的逆转录酶（RT）基因进行的进化分析显示，百岁兰缺乏许多物种特异性重复序列分支。相反，多个深度分化的分支包含来自百岁兰、买麻藤纲植物以及有时来自 Amborella 的元件。这与 Ginkgo 形成鲜明对比，后者拥有大量源自约 1500 万年前活性高峰期的物种特异性分支，并且其完整自主元件数量（4,237 个）远多于其他物种。
百岁兰中孤立 LTR（重组事件的残留物）与完整 LTR 的比例显著更高：
- 百岁兰：3.87（4,610 个孤立 LTR : 1,191 个完整 LTR）
- 买麻藤属：2.07（971 : 470）
- Amborella：2.35（214 : 91）
- 银杏：4.26（60,623 : 14,128）
孤立 LTR 是通过基于切除的 DNA 重组产生的，该过程移除了逆转座子的内部部分，从而导致基因组缩小。与买麻藤属相比，百岁兰中孤立 LTR 频率更高，表明基于重组的逆转录元件去除率升高——这一机制有助于解释百岁兰如何在经历古老的全基因组复制（WGD）和近期的逆转座子爆发后，仍保持其基因组相对紧凑。
DNA 甲基化：生存的表观遗传秘密
除了静态的 DNA 序列外，研究人员还调查了表观基因组——特别是 DNA 甲基化模式，这是一种添加到 DNA 上的化学标签，可以在不改变底层序列的情况下影响基因活性。这一点尤其相关，因为百岁兰可以存活数千年，表观遗传机制可能帮助这种植物在其超长的生命中应对环境压力。
该研究的甲基化分析揭示了几项引人注目的发现：
首先，CG 和 CHG 序列背景下的整体甲基化水平（其中 H 代表 A、T 或 C）在分生组织和叶片中都非常高，所有胞嘧啶的平均值分别达到 CG 的 78.32% 和 CHG 的 76.11%。这些数值与针叶树挪威云杉（Picea abies）中观察到的数值相似，但显著高于被子植物通常报道的水平，后者平均约 50% 的胞嘧啶被甲基化。
其次，也是最引人注目的是，CHH 背景下胞嘧啶的平均甲基化水平在分生组织和叶片组织中均为 35.7%。作者将其描述为“显著高于此前报道的被子植物和裸子植物”，并且可能是迄今为止记录到的任何植物的最高值。为了便于理解：
- 对 34 种被子物种的分析发现，85% 的 CHH 甲基化水平低于 10%，最高值为甜菜（Beta vulgaris）中的 18.8%
- 在挪威云杉中，培养组织内 CHH 三联体中仅约 1.5% 的胞嘧啶被甲基化
第三，CHH 甲基化水平在不同组织间差异巨大。叶片中的水平始终低于基部分生组织 (24%)，但在分生组织内部，野外采集的植物 (58.72%) 与温室种植的植物 (31.42%) 之间存在显著差异。这表明环境条件强烈影响甲基化模式，而野生植物的高甲基化可能反映了对严酷沙漠环境的响应。
第四，CHH 位点的差异甲基化区域（DMRs） overwhelmingly 集中在基因间区（基因之间的区域）和转座元件中。在个体间差异甲基化的区域中，超过 97% 的位点位于基因间区内，其中 89% 位于转座元件内。这具有重要意义，因为对转座元件的甲基化是一种众所周知的防御机制，可使这些“跳跃基因”保持沉默——防止它们通过插入功能基因而引起有害突变。
研究人员还分析了参与 RNA 引导的 DNA 甲基化（RdDM）通路的基因——这是建立和维持 DNA 甲基化的分子机器。大多数这些基因在分生组织中的转录本丰度高于年轻叶片，表明植物生长区域中甲基化机器的活跃调控。
这些发现对科学的意义
本研究提供了百岁兰的首个染色体水平基因组组装，并为植物的极端长寿和压力耐受生物学提供了深刻的见解。
古老的全基因组倍增与谱系特异性的基因组缩减相结合，描绘出了一个在 8600 万年进化过程中，受到扩张和收缩力量共同塑造的基因组图景。WGD 可能提供了可以进化出新功能的重复基因，而升高的单体 LTR (solo-LTR) 形成率则有助于防止基因组变得过于庞大而难以管理。
CHH甲基化的异常高水平——在植物中最高——表明转座子元件的表观遗传沉默对百岁兰尤为重要。通过控制这些基因组寄生生物，该植物可能在数千年间保护其功能基因的完整性。野生植株与温室种植植株之间甲基化水平的差异也暗示，表观遗传机制可能在植物适应环境压力（包括极端温度波动、营养匮乏和水分不足）的能力中发挥作用。
控制细胞生长、分化和代谢的基因家族和转录因子的拷贝数和/或表达变化——特别是R2R3MYB和SAUR（Small Auxin-Up RNA）——可能是该植物长寿及其耐逆性的基础。这些正是植物育种家和生物技术在努力改善作物物种耐逆性时可能针对的基因类型。
研究的局限性
尽管本研究全面，但仍有一些局限性需要承认。
首先，虽然基因组组装质量很高，但BUSCO分析仅恢复了百岁兰83.47%的基因，意味着部分基因空间未被捕获。这对于大型、富含重复序列的基因组来说并不罕见，但这意味着仍有部分基因有待发现。
其次，异常高水平的CHH甲基化的功能尚未得到充分解释。研究人员报告了相关性，但要确立因果关系，需要进行实验验证——例如，通过操纵甲基化水平并观察其影响。
第三，本研究仅在有限数量的组织类型和个体中比较了甲基化模式。野生植株与温室种植植株之间观察到的显著差异表明环境影响很重要，但样本量（7个生物学独立样本）较小。
第四，已鉴定的基因家族（R2R3MYB、SAUR）和转录因子对长寿和耐逆性贡献的具体机制尚未进行功能表征。基因组分析可以识别候选基因，但需要直接实验来确认其作用。
最后，甲基化胞嘧啶的长期脱氨基作用导致GC含量极低的基因组已被注意到，但这种核苷酸组成偏差对基因组功能和稳定性的全部影响尚不清楚。
未来研究方向
这项开创性研究为未来的研究开辟了多条途径：
- 候选基因的功能表征：研究人员应通过实验测试R2R3MYB、SAUR和其他已鉴定基因家族在细胞生长、长寿和耐逆性中的作用，可能使用拟南芥等模式植物作为测试系统。
- 群体基因组学：随着两个遗传和地理上截然不同的百岁兰种群的发现，比较群体研究可以揭示该物种内正在进行的适应性和遗传多样性——这些信息对于保护规划至关重要。
- 跨环境的表观遗传学研究：野生植株与温室植株之间CHH甲基化的显著差异值得进行更大规模的研究，考察甲基化模式如何随环境条件、季节和植物年龄而变化。
- 保护应用：了解百岁兰适应性的遗传和表观遗传基础，可以为这一脆弱物种在气候变化和栖息地干扰面前的保护策略提供信息。
- 作物改良：赋予百岁兰极端耐旱性和长寿的基因和调控机制有可能被用于提高农业作物的耐逆性。
- 买麻藤纲植物间的比较基因组学：改进后的买麻藤属基因组组装为这一古老且神秘的植物谱系之间的进一步比较研究提供了宝贵资源。
常见问题
什么是百岁兰，为什么它如此不寻常？
百岁兰是一种沙漠植物，寿命长达数千年，只长两片叶子且永不停止伸长。它在纳米比亚和安哥拉的卡奥科弗尔德沙漠中每年仅靠不到50毫米的雨水生存。科学家认为它是地球上最非凡的植物之一。
跳跃基因是什么？它们在百岁兰中发挥了什么作用？
跳跃基因，即逆转录转座子，是可以在基因组其他位置进行自我复制和插入的 DNA 序列。在 Welwitschia 中，在过去的 100 万至 200 万年内出现了一次活性爆发。这些元件构成了其基因组的一半以上，并导致了其基因组规模的庞大。
什么是DNA甲基化？它在百岁兰中为何引人注目？
DNA甲基化是一种可以在不改变DNA序列的情况下开启或关闭基因的化学修饰。百岁兰具有极高水平的特定类型——CHH甲基化，这可能是植物中记录到的最高水平。这有助于沉默跳跃基因，并在其漫长的生命周期中保护植物。
百岁兰的遗传学如何帮助改良农作物？
研究人员确定了可能构成百岁兰极端耐旱性和长寿基础的基因及调控机制。其中包括控制细胞生长和应激反应的某些基因家族，如R2R3MYB和SAUR。未来，科学家可能会利用这些知识来改善农作物的抗逆性。
这项基因组研究的局限性是什么？
基因组组装捕获了约83%的预期基因，因此仍有部分基因尚未被发现。虽然观察到了高水平的CHH甲基化，但缺乏对其功能的实验证明。仅研究了少量样本和组织，许多候选基因的作用也未经过直接测试。
我应该就我植物的基因组测序结果寻求第二意见吗？
如果您收到了类似百岁兰的植物的基因组测序结果，并正在考虑其对保护或研究的影响，寻求第二意见有助于确认组装的准确性以及对全基因组复制和转座元件活性等复杂特征的解读。独立专家可以审查原始测序数据和生物信息学分析，以确保关于长寿和抗逆机制的结论是可靠的。Diagnostic Detectives Network 提供独立的专家第二意见。
来源信息
Original Article: "The Welwitschia genome reveals a unique biology underpinning extreme longevity in deserts"
Authors: Tao Wan, Zhiming Liu, Ilia J. Leitch, Haiping Xin, Gillian Maggs-Kölling, Yanbing Gong, Zhen Li, Eugene Marais, Yiying Liao, Can Dai, Fan Liu, Qijia Wu, Chi Song, Yadong Zhou, Weichang Huang, Kai Jiang, Qi Wang, Yong Yang, Zhixiang Zhong, Ming Yang, Xue Yan, Guangwan Hu, Chen Hou, Yingjuan Su, Shixiu Feng, Ji Yang, Jijun Yan, Jinfang Chu, Fan Chen, Jinhua Ran, Xiaoquan Wang, Yves Van de Peer, Andrew R. Leitch, and Qingfeng Wang
Journal: Nature Communications (2021), Volume 12, Article 4247
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24528-4
Institutions: Wuhan Botanical Garden (Chinese Academy of Sciences), Fairy Lake Botanical Garden, Royal Botanic Gardens Kew, Gobabeb Research and Training Centre (Namibia), Ghent University, Queen Mary University of London, and collaborating institutions in China and South Africa.
注：这篇患者友好的文章基于发表在《Nature Communications》上的同行评审研究撰写。它面向普通大众，不构成医疗建议。原始研究可通过上方的DOI链接获取。
