植物抗寒能力如何适应环境

发布时间：2024-09-13 10:30:46 栏目：精选知识

导读 植物寒冷专家，如匙叶草，已经很好地适应了冰河时代的寒冷气候。随着寒冷和温暖时期的交替，它们发展出了许多物种，也导致了基因组的增殖。

植物寒冷专家，如匙叶草，已经很好地适应了冰河时代的寒冷气候。随着寒冷和温暖时期的交替，它们发展出了许多物种，也导致了基因组的增殖。海德堡大学、诺丁汉大学和布拉格大学的进化生物学家研究了这种基因组复制对植物适应潜力的影响。结果表明，多倍体(具有两组以上染色体的物种)可以积累结构突变，这些突变可能表明局部适应，从而使它们能够一次又一次地占据生态位。



一千多万年前，十字花科的匙叶兰属植物与其地中海亲戚分离出去。虽然它们的直系后代专门应对干旱压力，但匙叶兰，或称拉丁语Cochlearia，在 250 万年前的冰河时代初期征服了寒冷和北极的栖息地。在早期的研究中，由 Marcus Koch 教授指导的研究人员调查了 Cochlearia在过去两百万年中如何反复适应快速交替的冷暖期。除此之外，新创造的耐寒植物形成了独立的基因库，这些基因库在寒冷地区相互接触。基因交换产生了具有多组染色体的种群。随着基因组的大小不断缩小，它们得以一次又一次地占据寒冷的生态位。

尽管如此，Marcus Koch 解释说，到目前为止，人们对使植物适应环境快速变化的基因组机制和潜力知之甚少。“这更加不同寻常，因为我们大多数最重要的作物都是多倍体，因此有多组染色体。这一事实正是种植和选择过程中强力选择的结果，”Koch 教授说，他的“生物多样性和植物系统学”研究小组位于海德堡大学有机体研究中心。

在 Levi Yant 教授指导的当前研究中，对高山匙叶草属植物Cochlearia excelsa的具有两组染色体的二倍体参考基因组进行了测序，并重建了所谓的全基因组。它将不同的基因组序列连接在一起，从而显示个体和其他物种之间的遗传变异。为此，分析了 350 多个具有不同染色体组数的各种Cochlearia物种的基因组。“令人惊讶的是，结果显示，多倍体实际上比二倍体物种更频繁地表现出基因组结构变异，并可能存在局部适应的信号，”诺丁汉大学(英国)进化基因组学研究员 Yant 教授解释说。

这些结构突变被额外的基因组拷贝所掩盖，因此在一定程度上免受选择，因为结构变异的积累也会导致功能丧失。通过他们的模型，国际研究小组进一步证明，多倍体特异性结构变异也出现在可能在未来气候适应中发挥重要作用的基因区域。布拉格查理大学和捷克科学院的研究人员菲利普·科拉日博士表示，对基因组数据的详细分析表明，这主要涉及种子发芽或抗植物疾病的生物过程。

然而，正如 Koch 教授强调的那样，如今在欧洲中部发现的Cochlearia物种最终在气候变化中幸存下来的可能性极小。“尤其是二倍体Cochlearia excelsa无法在奥地利山区更高更冷的地区进一步迁移，因为这种勺草已经在一定程度上到达了山顶地区。来自欧洲中部丘陵和山区的比利牛斯山勺草也会遇到困难。”然而，研究人员确实表明，整个基因库，尤其是多倍体耐寒植物的基因库都可以存活下来，特别是在地球的北部地区。这些十字花科植物的进化史因此为植物未来如何应对气候变化提供了见解。

这项研究工作是在欧洲研究理事会 (ERC) 的资助框架下开展的，这是 Levi Yant 的 ERC 启动基金。海德堡大学的合作团队在过去 25 年中在德国研究基金会的资助下开发了Cochlearia模型系统。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。