種微小的蕨類植物擁有地球上所有生物中最大的基因組

在《iScience》雜志上發(fā)表的一項新研究中，來自英國皇家植物園邱園和西班牙巴塞羅那植物研究所(IBB-CSIC)的研究人員發(fā)現(xiàn)了地球上生物細胞核中儲存的DNA量最多的新紀錄。

新喀里多尼亞叉蕨類植物Tmesipterisoblanceolata的DNA長度超過100米，其DNA含量是人類的50多倍，超過了自2010年以來一直保持這一紀錄的日本開花植物巴黎花。

此外，該植物還獲得了三項吉尼斯世界紀錄稱號，分別是“最大的植物基因組”、“最大的基因組”和“最大的蕨類植物基因組”(就細胞核中的DNA數(shù)量而言)。

T.oblanceolata是一種稀有的蕨類植物，產(chǎn)于島國新喀里多尼亞，這是法國的海外領土，位于西南太平洋，距離澳大利亞東部約750英里，以及瓦努阿圖等一些鄰近島嶼。Tmesipteris屬是一類研究不足的植物，由大約15種物種組成，其中大多數(shù)分布在一系列太平洋島嶼和大洋洲。

到目前為止，科學家僅估計了兩種Tmesipteris(T.tannensis和T.obliqua)基因組的大小，發(fā)現(xiàn)它們都含有巨大的基因組，分別為73.19和147.29千兆堿基對(Gbp)。

2023年，論文的主要作者JaumePellicer博士和OrianeHidalgo博士(來自IBB，曾就職于RBGKew)前往新喀里多尼亞收集Tmesipteris樣本，然后對其進行分析以估計其基因組的大小。這需要分離數(shù)千個細胞的細胞核，用染料染色，然后測量每個細胞核內(nèi)有多少染料與DNA結合——染料越多，基因組就越大。

分析顯示，T.oblanceolata物種的基因組大小達到創(chuàng)紀錄的160.45Gbp，比P.japonica(148.89Gbp)大約7%。

解開后，這種蕨類植物的每個細胞中的DNA都比倫敦威斯敏斯特的伊麗莎白塔還要高，伊麗莎白塔高96米，是世界著名的大本鐘的所在地。相比之下，人類基因組包含約3.1Gbp，分布在23條染色體上，當像毛線球一樣拉開時，每個細胞中的DNA長度只有約2米。

進化生物學研究員佩利瑟博士表示：“Tmesipteris是一種獨特而迷人的蕨類小屬，它的祖先大約在3.5億年前進化而來——遠在恐龍?zhí)ど系厍蛑?mdash;—它以附生習性(主要生長在樹干和樹枝上)和大洋洲和幾個太平洋島嶼的有限分布為特征。

“長期以來，我們都認為打破日本重樓的尺寸記錄是一項不可能完成的任務，但生物學的極限再一次超出了我們最樂觀的預測。

“根據(jù)我們之前的研究，我們預計Tmesipteris中存在巨大的基因組。也就是說，發(fā)現(xiàn)其中最大的基因組不僅僅是一項科學探索壯舉，也是近十四年來探索植物基因組無限復雜性和多樣性的結果。”

迄今為止，全球科學家已估算了20,000多種真核生物的基因組大小，并在此過程中揭示了生命樹中基因組大小的廣泛差異。反過來，這些差異不僅對它們的解剖學產(chǎn)生深遠影響，因為更大的基因組需要更大的細胞來容納它們，并且需要更長的時間進行復制，而且還影響它們的功能、進化以及它們的生存地點和方式。

在動物中，一些最大的基因組包括大理石肺魚(Protopterusaethiopicus)，其基因組大小為129.90Gbp，以及紐斯河水狗(Necturuslewisi)，其基因組大小為117.47Gbp。與此形成鮮明對比的是，已知最大的六個真核生物基因組都存在于植物中，其中包括歐洲槲寄生(Viscumalbum)，其基因組大小為100.84Gbp。

令人驚訝的是，擁有較大的基因組通常并不是一種優(yōu)勢。就植物而言，擁有大量DNA的物種只能成為生長緩慢的多年生植物，光合作用效率較低(植物將太陽能轉化為糖的過程)，需要更多的營養(yǎng)物質(zhì)(尤其是氮和磷酸鹽)才能生長并與基因組較小的鄰居成功競爭。反過來，這些影響可能會影響植物適應氣候變化的能力及其滅絕風險。

皇家植物園邱園特性進化高級研究員IliaLeitch博士表示：“誰會想到這種大多數(shù)人走過時都不會注意到的微小、不起眼的植物，會擁有世界紀錄的基因組大小。

“與其他生物相比，從DNA層面來看，植物的多樣性令人難以置信，這應該讓我們停下來思考它們在全球生物多樣性更廣闊的圖景中的內(nèi)在價值。這一發(fā)現(xiàn)還提出了許多關于生物學可能性上限的新問題，我們希望有一天能解開這些謎團。”

吉尼斯世界紀錄執(zhí)行主編亞當·米爾沃德表示：“這種看上去無害的蕨類植物所含的DNA是人類的50倍，這提醒我們，植物界還有很多我們不知道的東西，而紀錄保持者并不總是外表最耀眼的。”

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