擬南芥基因研究顯示：環境對遺傳多樣性影響巨大

一項針對多種擬南芥的基因研究表明，環境因素對物種遺傳多樣性和基因組的影響比之前人們預期的更大。相關論文發表在7月20日的《科學》雜志上。
 
除了實驗室中科學家的“最愛”，世界各地還分布著多種野生擬南芥。它們的生長速度、葉子顏色以及發枝方式都是不同的。在最新的研究中，由德國馬普發育生物學研究所（Max Planck Institute for Developmental Biology）Detlef Weigel領導的國際科學家小組，從美洲、非洲和亞洲以及其他極地和亞熱帶區域搜集了19種擬南芥，并將它們的基因序列（約1.2億個堿基對）與實驗室用擬南芥基因組（2000年測定完成）進行了對比研究，從而確定了相關的遺傳差異。
 
所得到的結果令人吃驚：它們遺傳差異的廣度遠遠超過了所謂的“改進基因組”（streamlined genome）。研究人員發現，平均每180個堿基對中就有一個是可變的。同時研究表明，大約4%的實驗室用擬南芥基因組要么與野生種類差異很大，要么完全不存在于野生種類的擬南芥中。此外，大約十分之一的野生擬南芥基因是有缺陷的，無法完成正常的功能。
 
新的研究結論為科學家提出了許多新的基礎性問題。Weigel表示，“或許并不存在所謂的一個物種的基因組。迄今為止，對個體DNA序列的認識并不能使科學家充分理解一個物種的遺傳潛能。”此外，擬南芥基因組的可塑性也令人驚訝。盡管擬南芥的基因組中的基因數量與人類和一些作物相當，但它整個基因組的大小不及后兩者的十二分之一。同時，擬南芥基因組中幾乎沒有重復序列和無關聯的“垃圾”序列。
 
進一步研究表明，擬南芥與外界環境相互作用相關（比如抵御病原體和感染）的基因，其可變性大大超過其他功能基因。Weigel認為，這一遺傳特性反映出擬南芥對當地生存環境的適應性，正是這些易變基因使得擬南芥能夠經受干燥和潮濕，炎熱和寒冷，并調節自身的生長季節。
 
新的研究成果加深了人們對環境影響遺傳多樣性的理解，也將有助于開發能夠適應環境變化的植物品種。隨著人類認識的不斷發展，基因與環境的交互作用已經漸漸成為生命科學的重要研究方向。

圖片說明：不同地域的擬南芥的基因序列存在差異（圖中差異是示意性的）。
（圖片來源：MPI for Developmental Biology）

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生長較快、葉片顏色較暗、另類的分支方法，野生擬南芥突變品系完全可以呈現出與實驗室擬南芥品系完全不同的姿態。Max Planck研究所Detlef Weigel帶領來自德國蒂賓根(Tübingen)大學和美國加州大學的研究人員，對采自美洲、非洲和亞洲的極圈或者亞熱帶地區的各種品系擬南芥的基因組進行了詳細研究。結果令人震驚：基因組差異的范圍遠遠超出了之前的預料。詳細內容刊登于上周《Science》雜志。

為了捕獲擬南芥不同品系的基因組突變，研究人員將19種野生品系的遺傳物質與實驗室品系的遺傳物質（2000年測序）進行對比。利用一個非常精細的過程和將近十億個特異設計的DNA探針，他們檢測了每個品系的近1.2億個基因組模塊。Weigel 說：“這些探針總共應該有人類基因組的7倍長。”
 
分析結果為：平均每180個DNA模塊就有一個突變；大約4％的參考基因組與野生型的相比，或者非常不同或者完全丟失；幾乎每隔10個基因就有一個發生嚴重缺陷，不能執行其正常功能。

這些結果牽涉到了基礎問題。比如，他們證實了迄今測序的模式基因組的價值。Weigel 說，洞察到個體的DNA序列目前還不能滿足對某個物種遺傳潛力的研究，也有助人類遺傳學研究。

而且奇怪的是，擬南芥有一個如此可塑性的基因組。與人類的或者玉米等農作物的基因組相比，擬南芥的基因組是非常流線化的（streamlined，生物通編者譯），大小不過人類的或者玉米的基因組的1/20，但卻擁有幾乎等量的基因。相比于其它基因組，其所含的重復或者表面上無用的序列很少。“盡管在最小的基因組中，每隔10個基因就有一個是不必要的，這真的很奇怪。”

進一步分析結果顯示，負責基本細胞功能的基因，如蛋白合成或者基因調節的基因很少經歷嚴重的突變。負責與其它生物體相互作用的基因，如負責抵御病原體或者感染的基因，比平均基因（average gene）的變化要大很多。“遺傳變異性似乎反應了對局部環境的適應，” Weigel說。很可能這些變化的基因賦予了植物耐旱或者耐澇、耐熱或者耐寒的能力，或改變生長季的長短。

這種空前詳盡的基因組分析，有助于局部適應性的研究，而且這的確是此次研究的一個主要原因。Weigel說，通過將這些研究類型擴展到其它物種，有望得到更多符合目的的牲畜。他已經與位于菲律賓的國際水稻研究所合作，打算將擬南芥研究中提煉的方法和經驗應用到20種水稻品系中。

環境與基因組相互作用也是此研究的目的之一。盡管目前用到的技術只能鑒別相對于參考基因組發生變化的或者丟失的基因，進行野生型品系的基因組測序有助于尋找新的基因。目前已經研發出幾天讀完植物整個基因的新方法，但仍然缺少破譯如洪水般數據的計算法則。
 
 
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《科學》論文摘要
 
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