论文研究目标和意义
这篇论文2024年6月21日在线发表于Nature Plants。旨在探究禾本科植物中抗旱性的趋同进化机制。干旱是制约植物生长和农作物产量的重要因素,一些复活植物能在极度脱水后恢复生命活动,表现出极强的抗旱性。研究其背后的分子机制,有助于培育出高抗旱性的农作物品种,对农业生产具有重要意义。
图1
正如论文所述:
Desiccation tolerance likely arose in plants during the Ordivocian period and is thought to have played a critical role in facilitating the transition from aquatic to terrestrial environments by early land plants.
The recurrent evolution of desiccation tolerance offers an exciting opportunity to understand how complex traits evolve independently across both broad and narrow phylogenetic distances.
论文选取了禾本科的三个复活植物物种,通过比较基因组学和转录组学分析,探究它们独立进化出抗旱性的分子基础,对解析复杂性状的趋同进化模式具有重要参考价值,同时也为作物抗旱性改良提供了新思路。
论文提出的新思路和方法
论文采用了多组学的比较进化分析策略,在三个层次上探究了禾本科植物抗旱性的分子机制和进化模式:
基因组水平:通过高保真PacBio测序获得了三个复活禾草的参考基因组,组装的连续性达到染色体水平。
We generated reference genome assemblies for each of the three grasses using PacBio high-fidelity (HiFi) data.
基因家族水平:分析了抗旱相关基因家族(如LEA、ELIP、HSP等)在复活禾草中的扩张模式,揭示了基因量的平行进化。
We observed substantial convergence in gene duplication and expression patterns associated with desiccation. Syntenic genes of shared origin are activated across species, indicative of parallel evolution.
代谢通路水平:比较了三个物种脱水和复水过程中的转录组变化,发现一些代谢通路(如光合作用、碳水化合物代谢等)表现趋同,但由不同基因组调控,反映了表型趋同的另一进化路径。
We detected substantially higher overlap in KEGG terms across species (~30–40%) compared to differentially expressed syntelogs (only 18–24%), suggesting that while these species do not always leverage parallel gene copies, they induce similar metabolic mechanisms to survive anhydrobiosis, providing evidence of convergence across species.
相比以往研究,本文的特点是:1)比较分析了多个独立进化的物种,样本更具代表性;2)整合了基因组、转录组等多组学数据,分析更全面;3)从不同生物学层次探讨了趋同进化,揭示了平行进化和趋同进化的多样机制。
禾本科复活植物抗旱性的趋同进化研究取得系列重要发现
本文通过比较基因组学和转录组学分析,在三个复活禾草中发现了抗旱机制趋同进化的关键证据,主要包括:
1. 构建了高质量的复活禾草参考基因组,为深入分析奠定基础
利用PacBio高保真(HiFi)测序技术,作者获得了三个复活禾草O. capense、T. minimus、M. caffra的高质量参考基因组。如Extended Data Fig. 1, 2所示:
O. capense and T. minimus are diploid with haploid genome sizes of ~195 Mb based on flow cytometry, and M. caffra is hexaploid with a 1.25 Gb haploid genome. Sequencing reads were assembled using hifiasm (v 0.18), producing near-complete reference assemblies for O. capense and T. minimus and a highly contiguous draft assembly of M. caffra (Table 1).
组装获得了O. capense、T. minimus接近完成的染色体水平基因组,M. caffra的草图也达到contig N50 16Mb的高连续性。这为深入解析抗旱机制提供了坚实基础。
2. 系统性的表型和转录组分析,揭示干旱胁迫引起基因表达的巨大改变
如Fig. 1b-d所示,随着相对含水量(RWC)的降低,光合效率(Fv/Fm)逐渐下降,脱水后可恢复,反映了复活植物的抗旱表型。
Plants reached desiccation after17–20 days of natural drying, with RWC < 10% and photosystem II efficiency, represented as Fv~/Fm(e.g. the ratio of variable to maximum fluorescence approaching 0.0) (Fig. 1b–d). RWC and Fv/Fmrecovered within 12 h of rehydration in O. capense and T. minimus, but Fv/Fmtook longer to recover in M. caffra (Fig. 1b).
在6个关键时间点进行RNA测序,转录组分析发现(如Fig. 3所示):
Broadly, desiccation and rehydration induced substantial changes in gene expression in all three desiccation-tolerant grasses, with 35–52% of genes showing differential abundance during dehydration and 23–47% during rehydration (Fig. 3a and Extended Data Fig. 7).
干旱胁迫引起35-52%基因表达发生显著变化,复水过程也调控23-47%的基因,反映了抗旱机制对基因表达的整体重塑。
图3
3. 不同复活禾草间存在显著的基因表达趋同性
进一步比较分析鉴定出18,428个保守的同源基因(syntelogs),发现不同物种间趋同表达的基因数量远超预期,如Fig. 3b所示:
There was considerable overlap in gene expression across the three focal resurrection grasses, with ~18–24% of all differentially expressed syntelogs showing similar expression across species (Fig. 3b and Extended Data Fig. 8). The proportions of DEGs shared across the three resurrection grasses for both up- and down-regulated genes was considerably more than observed in previous studies or expected due to chance.
有18-24%的差异表达基因在三个物种中表现一致,比既往研究和随机预期高得多,支持了趋同进化的假说。并且如Fig. 3c,d主成分分析所示,转录组样品主要按干旱处理分组,而不是物种,进一步印证了基因表达趋同的普遍性。
4. 共表达网络分析鉴定出趋同的抗旱相关基因模块
如Fig. 4所示,通过WGCNA方法构建共表达网络,鉴定出脱水和复水过程中表达显著变化的基因模块,发现不同物种间普遍存在相似的模块和调控模式,反映了基因共表达网络的趋同性。
图4
We defined co-expression modules for each species and screened for shared network level responses within co-expressed genes. High-confidence modules were defined for each species, and we grouped these into three broad classes based on the expression pattern of each module: (1) elevated expression in hydrated conditions, (2) elevated expression during dehydration and (3) elevated expression during rehydration (Fig. 4d).
5. 功能富集分析揭示保守和趋同的代谢调控途径
GO和KEGG富集分析揭示了三个物种共有的一些抗旱相关的关键通路,如Fig. 5所示:
We found that many hallmarks of desiccation tolerance were shared across the three resurrection grasses, including the controlled down-regulation of photosynthesis and rapid induction of protective mechanisms. Enriched GO terms during dehydration were related primarily to signalling and stress responses (for example, stress perception and reactive oxygen species scavenging activities).
图5
除了共有的保守途径外,还发现物种间代谢通路调控的趋同性更显著:
We detected substantially higher overlap in KEGG terms across species (~30–40%) compared to differentially expressed syntelogs (only 18–24%) (Fig. 5b and Extended Data Fig. 10). The increased similarity at a metabolic level suggests that while these species do not always leverage parallel gene copies, they induce similar metabolic mechanisms to survive anhydrobiosis, providing evidence of convergence across species.
6. 拓扑数据分析从整体揭示基因表达动态变化的趋同性
最后,作者还利用Mapper算法对转录组数据进行拓扑分析,从整体上比较了不同物种响应干旱胁迫的动态变化趋势,如Fig. 6所示:
图6
These graphs reveal a compelling topological depiction of the gene expression variations induced by water stress across different species. Similar topology was observed for targeted comparison of the three focal species (Fig. 6a,b) and for the larger dataset including E. nindensis and O. thomaeum (Fig. 6c,d). In both instances, clear delineation between samples of different hydration statuses are evident, while the species are intermixed.
拓扑结构清晰地显示,基因表达的变化主要与干旱处理相关,而物种间差异不明显,进一步从整体水平支持了趋同进化模式的普遍性。
小结
本文通过系统的比较基因组和转录组分析,从基因家族进化、基因表达调控、代谢通路富集等多个层面,揭示了禾本科复活植物抗旱性趋同进化的关键遗传机制。这些发现不仅加深了对复杂性状平行进化和趋同进化的理解,也为作物抗旱改良提供了新思路。
研究成果的影响与应用
本研究从趋同进化角度阐明了植物抗旱的分子机制,为作物抗旱改良提供了新思路:
本研究为抗旱性研究提供了新的候选基因和代谢通路,如ELIP、LEA等基因家族,以及糖代谢、脂类代谢等通路,可为相关研究提供参考。此外,多组学整合和比较进化分析strategyn策略也值得借鉴。
对农业育种而言,本研究鉴定的关键基因和通路,可用于指导抗旱品种的选育。可考虑通过基因工程手段,将这些基因导入到作物中,或者利用基因编辑技术,对现有品种的抗旱通路进行优化,提高作物抗旱性。长远来看,可显著提高旱地农业的产量,保障粮食安全。
对生物技术产业而言,一些抗旱基因也有开发植物干旱诱导启动子的潜力,可用于调控旱地环境下的目的基因表达。此外,一些耐脱水蛋白本身就是高附加值的生物制品。因此,研究成果既有科学意义,也有较好的应用前景。
未来研究方向与机会
植物抗旱性研究还有许多问题有待进一步探索:
抗旱相关基因的功能验证。本研究鉴定了一批候选基因,但其具体功能还需进一步实验验证,可考虑用基因编辑、转基因等手段进行功能分析。这可能催生出一批新的抗旱基因工程品种。
抗旱机制的整合与解析。目前对植物抗旱的分子调控网络还缺乏全面、系统的认识,多组学整合分析将有助于构建出更完整的调控网络模型。这需借助人工智能、大数据分析等新兴技术,也是未来发展的重要方向。
不同物种间抗旱机制的比较进化分析。现有研究多局限于模式物种或个例研究,缺乏广泛的物种比较和趋同进化分析。结合多物种的组学大数据,从进化角度系统解析和比较抗旱机制的差异,将是一个重要研究方向。
抗旱性状的群体遗传机制解析。抗旱性是一个复杂性状,不同基因型的贡献有待进一步解析。应用全基因组关联分析、多性状全基因组关联分析等群体遗传学方法,有望克服复杂性状定位的瓶颈。
Critical Thinking
尽管本文工作较为全面深入,但仍然存在一些不足:
样本量较少,仅分析了三个复活禾草物种,代表性有限。后续需要纳入更多的物种,特别是一些关键的衔接类群,以更全面地理解禾本科植物抗旱性的进化。
缺乏更多的实验验证。文章主要基于组学数据推测了一些关键基因和通路,但缺乏实验证据支持其必要性和充分性。未来需要开展功能验证实验。
趋同进化的分子机制还需进一步阐明。趋同表型的形成是多基因多通路协同作用的结果,目前对其遗传调控网络还缺乏全面系统的理解。
抗旱机制在物种间是否完全一致值得商榷。尽管总体趋势趋同,但不同物种仍存在显著差异,说明抗旱机制的物种特异性。这在将研究结果应用到其他物种时需慎重。
研究结果距离应用还有差距。复活植物毕竟与作物有别,其抗旱机制并非完全适用。将其成果应用到作物改良还需深入机制解析和育种工作。
Biosyn导师：Robert VanBuren https://www.canr.msu.edu/people/dr_robert_vanburen
Dr. Robert VanBuren是密歇根州立大学(Michigan State University, MSU)园艺系(Department of Horticulture)的一位副教授(Associate Professor)。他于2014年在伊利诺伊大学(University of Illinois)获得博士学位,师从Ray Ming教授研究植物性染色体的进化。在加入MSU之前,他曾在Donald Danforth植物科学中心(The Donald Danforth Plant Science Center)担任美国国家科学基金会(NSF)植物基因组博士后研究员,与Todd Mockler合作研究干旱诱导的景天酸代谢(CAM)光合作用的进化。2016年,VanBuren博士正式加入MSU园艺系。
VanBuren实验室采用综合的基因组学、数量遗传学和进化生物学方法,研究植物自然适应的遗传基础,以期对作物改良提供指导。其工作主要集中在两个方面:1)景天酸代谢(CAM)光合作用的进化;2)复活植物的极端抗旱性。
此外,他们还利用更传统的标记辅助育种(marker-assisted breeding)和系统生物学方法来提高一些未被充分利用的作物的抗旱性。目前正在进行的工作包括:建立两种孤儿粮食作物tef和乘指小米(finger millet)的遗传和基因组资源,以改善其产量、抗逆性和作为饲料的潜力。
通过本文的研究,我们可以看出VanBuren博士对植物抗旱机制和趋同进化模式的深入理解。他采用多组学整合分析,比较不同物种的基因组和转录组,从进化角度系统解析了复活植物抗旱的遗传调控网络,为作物抗旱改良提供了新的思路和候选基因资源。
