首个蕨类植物基因组显示独特的细菌伙伴关系

当你身处一个庞大而残酷的世界里，作为一株渺小的蕨类植物，你该如何躲避昆虫的攻击并保持生存？与细菌合作或许能奏效！生物学家们首次对蕨类植物进行了基因组测序，他们最初选择的两个物种已经揭示了它们的“商业秘密”，加深了我们对细菌伙伴关系如何帮助它们抵御饥饿的昆虫并获取所需营养氮的理解。这些蕨类植物的基因组也填补了生物学家在植物王国演化历史研究中的空白。

在主要的植物谱系中，蕨类植物是唯一一个直到现在基因组尚未被测序的类群，尽管它们包含多达惊人的15,000个物种。植物科学家、自我proclaimed的蕨类爱好者Fay-Wei Li（隶属于Boyce Thompson研究所和康奈尔大学）领导了今天在《Nature Plants》杂志上发表的研究，对两种蕨类植物——浮萍（Azolla filiculoides）和满江红（Salvinia cucullata）——进行了基因组测序。

影响巨大的一株小蕨类植物

虽然它很小，但微小的浮萍（Azolla）可能在5000万年前改变了世界。来自北极的化石记录表明，这些生长迅速、能够固碳的蕨类植物从地球大气中吸收了足够多的二氧化碳，从而使当时温室效应明显的地球降温，并促成了今天极地冰盖的形成。

在更近期的地球历史中，亚洲的稻农在一千多年的时间里一直使用浮萍（Azolla）作为天然肥料。生活在浮萍叶片内的蓝细菌物种——颤藻（Nostoc azollae）——能够捕捉空气中的氮，并将其转化为蕨类植物——以及水稻——可以利用的形式。许多植物与生活在其体内的细菌存在共生关系，但浮萍与颤藻的伙伴关系是独特的，因为这种细菌在蕨类植物的整个生命周期内都生活在其体内，并在浮萍繁殖时从亲代传递给子代。这是一种大多数植物无法获得的微生物遗传——它们必须从环境中重新开始与细菌建立联系。有证据表明，浮萍及其蓝细菌伙伴可能有着悠久的共同演化历史。揭示它们演化历史的细节是Li及其团队想要测序浮萍基因组的原因之一。

团队合作成就基因组工作

据Li介绍，缺乏蕨类植物基因组一直是研究植物演化的严重限制。“如果你想了解种子的起源、花的起源，你也必须研究那些不产生花和种子的植物，而这些就是蕨类植物，”Li说。“从演化生物学的角度来看，生命之树中每个分支的代表都非常重要。”

蕨类植物之所以被忽视，部分原因在于它们拥有庞大且测序成本高昂的基因组（平均蕨类植物的遗传信息量是人类的四倍），而且与测序其他植物（如农作物）的基因组相比，测序蕨类植物基因组的好处并不那么显而易见。Li的团队在通过联邦机构资助浮萍基因组项目时遇到了困难。因此，四年前，他们转向了另一个潜在的资源——众筹。

“我看到我们的同事们通过在线平台进行了一些筹款，我们想，‘嘿，为什么我们不试试呢？’”Li说。由于浮萍与蓝细菌独特的共生关系，它在水稻种植中的悠久历史，以及它在可持续农业方面的更广泛潜力，Li认为这个项目能够引起公众的兴趣。

这项众筹活动取得了巨大成功。123名个人支持了该项目，该活动引起了北京基因组研究所的关注，他们主动提出免费完成基因组测序部分的工作。得益于如此多的支持，Li的团队甚至得以将第二种蕨类植物——满江红（Salvinia）——纳入了该项目。该团队已将这两种蕨类植物的基因组在线提供给所有研究人员使用。

结果出来了

Li的团队从这两种蕨类植物的基因组中发现了大量有价值的见解。在植物演化方面，他们发现证据表明，一些用于产生种子的蛋白质在无籽植物中就已经存在，早于植物谱系分化形成有籽植物群。这可能意味着有籽植物的演化主要是通过适应现有蛋白质以实现新功能，而不是发明新的蛋白质来执行新任务。将新的浮萍基因组与先前已测序的颤藻基因组进行比较，证实了这种蕨类植物和蓝细菌已经成为伙伴长达1亿年，共同演化并分化出新的物种。通过对蕨类植物基因组的实验，Li的团队发现，当其他氮源不可用时，蓝细菌从空气中捕捉氮的能力能够维持蕨类植物的营养。

从第二种蕨类植物——满江红（Salvinia）的基因组中，一项意想不到的发现出现了。蕨类植物具有使它们比开花植物更能抵抗昆虫的蛋白质，但生物学家们不知道它们的来源。Li的团队研究了蕨类植物的基因组，以追踪天然杀虫剂的起源，并发现有证据表明，在满江红（Salvinia）中，这种杀虫剂蛋白可能来源于细菌，而不是植物祖先。在细菌之间，基因转移（这就是为什么细菌如此擅长抵抗抗生素）是相当普遍的，但在植物等更复杂的生命体中则很少见。

蕨类植物-细菌团队合作细节的发现，得益于人类团队合作。Li强调，这项研究是一个大型的合作项目——期刊文章列出了42名作者，并感谢了123名支持该项目的捐助者。“我非常兴奋，我们能够从头到尾完成这个基因组的测序工作，并且得到了众筹和公众的支持，”Li说。“我们为人民而做基因组，由人民支持。这是一种很美好的感觉。”