蕨類植物是地球上最多樣化的植物種群之一,也是僅有的沒有完成基因組測序的主要植物種群。2018年7月18日,美國康奈爾大學研究人員在《自然-植物》期刊上發表了其完成蕨類植物基因組測序的結果。
蕨類植物的基因組較大,可以擁有多達720對染色體,包含多達1480億個堿基對的DNA序列(Gb)。相比之下,第一個完成基因組測序的植物——擬南芥(Arabidopsis thaliana)只有5對染色體,基因組大小為0.135 Gb。
研究人員選擇了兩種基因組較小的蕨類植物Azolla filiculoides(0.75 Gb)和Salvinia cucullata(0.26 Gb)進行測序。這兩種蕨類植物都具有非常有趣的特征。例如,Azolla被認為在數千萬年前對降低地球溫度發揮了重要作用。大約在5000萬年前,Azolla覆蓋了北極的海域,從大氣中清除了大量二氧化碳,使極地溫暖的溫室地球變成了如今極地冰雪通過含有噬菌體的干燥、多孔微粒,將噬菌體送入感染深處。目前,噬菌體涂層聚合物顆粒成功地治愈了感染肺炎的小鼠,并顯著降低了囊性纖維化動物模型體內的細菌水平。這項技術有望與類似普通吸入器的裝置配合向人體肺部輸送干粉噬菌體。
噬菌體療法是一種很有前途的抗生素替代療法,因為它可以選擇性地攻擊特定病原體,不會損害其他正常細菌,減少了多藥耐藥的風險。但是,如何將噬菌體輸送至感染部位是一個技術難題。以前,研究人員曾采用噴霧器將噬菌體混合物輸送到肺部,但這種方法的遞送效率較低,而且不方便。
此次,研究者著手生物材料載體的設計,目的是在保持噬菌體的活性的同時,能以更均勻的方式將噬菌體遞送入肺部深部。最終,研究者選用了可溶解縫線一樣的聚合物材料,將其制成的載體微粒,噬菌體涂層可以有效附著。而這些多孔的顆粒足夠大,可以避免被身體快速清除,同時顆粒又非常輕,可以深入肺部。這種被噬菌體包覆的微粒是一種可生物降解的聚合材料,因此,在幾天之內就可以被清除。目前,研究人員還未發現細菌對這種療法產生抵抗力的現象。
該研究推動噬菌體療法向前邁進的關鍵一步。這項技術有望與類似普通吸入器的裝置配合向人體肺部輸送干粉噬菌體。下一步,研究者將在大型動物和人體中測試這種微粒遞送技術的有效性。覆蓋的模樣。Azolla還可以用作水稻田中的“綠肥”,它含有固氮微生物,可以從大氣中捕獲氮元素。與其他大部分植物-微生物共生關系不同,Azolla整個生命周期都與固氮藍藻相關,且當其繁殖時會將共生菌從親代傳給子代。該研究小組鑒定了幾個Azolla與共生菌相互作用的基因。
蕨類植物也善于抵御昆蟲。研究人員鑒定了S. cucullata中編碼殺蟲蛋白的基因,發現這些基因并不是由植物祖先進化而來,而是來自細菌。這說明基因可以在生物體之間自然遷移。
未來,蕨類植物學家還希望對其他蕨類植物的基因組進行測序,并解開蕨類植物更多的秘密。