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在過去10年裡,每到4月,系統生物學家羅德里戈·古鐵雷斯(Rodrigo Gutiérrez)都會駕車1600千米去往地球上最乾燥的地區之一:智利的阿塔卡馬沙漠,這裡的部分割槽域每年只有不到3毫米的降雨量。每一年,古鐵雷斯帶領的研究團隊都會在20多個地點採集植物和土壤樣品,並將這些樣品用液氮冷凍後,帶回他們在智利天主教大學的實驗室裡。在一項發表於《美國科學院院刊》(PNAS)的新研究中,古鐵雷斯和同事找到了幫助植物在如此極端條件下茁壯成長的基因和微生物。
古鐵雷斯說:“我們對這些植物是如何在如此乾燥環境中生存的幾乎一無所知。因此,研究這些野生植物物種具有非常大的潛在價值,而且現在擁有的基因組學工具使相關研究的開展更為容易。”在這項研究中,研究人員分析了3個海拔範圍內的32種植物物種,其中有些與穀物、豆類和馬鈴薯作物有很近的親緣關係。
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研究人員通常是用實驗室種植的植物開展遺傳學研究的,因為這可以使他們能嚴格控制試驗因子,例如植物獲取營養物質和光照的含量。而在自然環境中採集的植物樣品則能反映出一些由植物生長環境所帶來的關鍵差異。美國加利福尼亞大學戴維斯分校的植物學家尼莉瑪·辛哈(Neelima Sinha,未參與這項研究)評價道:“這項研究將‘植物如何應對自然環境’這一問題在基因組學和生態學上的認識結合在了一起,因此是非常重要的研究進展。”
為了找到對植物存活至關重要的基因,古鐵雷斯聯合生態學家、植物生物學家、基因組學專家和計算機科學家,比較了阿塔卡馬沙漠的植物樣品和它們近親植物的遺傳密碼。基因組被認為是“基因的金礦”,在這項研究中,研究人員追蹤了植物基因組的演化,並從中找到了與應激、代謝和產能有關的適應性突變。這些突變或許能幫助沙漠中的植物耐受強烈的太陽輻射,最佳化獲取水分的能力,並調節開花的時期。研究人員還發現了大量寄生在沙漠植物根部的細菌,這些細菌能將空氣中的氮氣轉化為植物可以直接利用的形式,從而協助植物在缺氮的土壤中生長。
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古鐵雷斯說,這些新發現的基因可以被插入到農作物中,以及能生產生物燃料的草本植物中,從而提高這些植物物種在含鹽量高的土壤中和乾旱區域的存活率。值得一提的是,隨著氣候變化,植物的生存環境預計將會變得更加嚴酷。
撰文:蘇珊·科西爾(Susan Cosier)
翻譯:孫琳鈺
審校:石雲雷
引進來源:科學美國人
本文來自:中國數字科技館