在地球最干燥的地方建“天然實驗室”

一個國際科研小組研究了能在地球上最惡劣環境之一——智利阿塔卡馬沙漠生存的植物，確定了與其適應能力相關的基因。這一論文發表在美國《國家科學院院刊》上，研究結果可能有助于科學家培育出能在日益干旱的氣候中茁壯成長的韌性作物。

共同領導這項研究的紐約大學生物系暨基因組學和系統生物學中心卡羅爾·彼得里教授說：“在氣候變化加速的時代，揭示遺傳基礎以在干旱和營養貧乏的條件下提高作物產量和恢復力至關重要。”

該研究展現了植物學家、微生物學家、生態學家、進化和基因組科學家之間的國際合作。這種獨特的專業知識組合使團隊能夠識別出植物、相關微生物以及使阿塔卡馬植物適應極端沙漠條件并茁壯成長的基因，這最終可能有助于促進作物生長，減少糧食不安全。

智利天主教大學分子遺傳學和微生物學系教授古鐵雷斯說：“我們對阿塔卡馬沙漠植物的研究與世界各地日益干旱的地區直接相關，干旱、極端氣溫以及水和土壤中的鹽分等因素，對全球糧食生產構成了重大威脅。”

在地球最干燥的地方建“天然實驗室”

智利北部的阿塔卡馬沙漠夾在太平洋和安第斯山脈之間，是地球上最干燥的地方(不包括兩極)。然而，那里生長著數十種植物，包括草、一年生植物和多年生灌木。除了有限的水之外，阿塔卡馬的植物還必須應對高海拔、土壤中養分可用性低以及極高的陽光輻射。

智利研究團隊歷時10年在阿塔卡馬沙漠建立了一個無與倫比的“天然實驗室”。在該實驗室中，他們收集并表征了沿塔拉布雷—萊賈橫斷面的不同植被區和海拔(每100米海拔)的22個地點的氣候、土壤和植物。通過測量各種因素，他們記錄了晝夜波動超過50度的溫度、非常高水平的輻射、缺乏養分的土壤(主要是沙子)以及極少的降雨(大部分年降雨都在幾天之內完成)。

使用基因組學探索韌性植物的進化

智利研究人員將保存在液氮中的植物和土壤樣本帶回1600公里外的實驗室，對阿塔卡馬地區32種優勢植物中表達的基因進行測序，并根據DNA序列評估與植物相關的土壤微生物。他們發現，一些植物物種在其根部附近發育出促進生長的細菌，這是一種優化氮攝入的適應性策略，氮是阿塔卡馬貧氮土壤中對植物生長至關重要的營養素。

為了確定其蛋白質序列在阿塔卡馬物種中適應的基因，紐約大學研究人員使用一種稱為系統基因組學的方法進行了分析，該方法旨在使用基因組數據重建進化歷史。他們將32種阿塔卡馬植物的基因組與32種未適應但基因相似的“姐妹”物種以及幾個模型物種的基因組進行了比較。

研究人員表示，他們的目標是，使用這種基于基因組序列的進化樹，來識別在支持阿塔卡馬植物適應沙漠條件的進化基因中，氨基酸序列編碼的變化。

新研究利用紐約大學高性能計算集群進行了分析。這種計算密集型基因組分析涉及比較70多個物種的1686950個蛋白質序列。研究人員使用生成的8599764個氨基酸的超級矩陣來重建阿塔卡馬物種的進化史。

該研究確定了265個候選基因，其蛋白質序列變化是由多個阿塔卡馬物種的進化力量選擇的。這些適應性突變發生在植物適應沙漠條件的基因中，包括與光和光合作用相關的基因，這可能使植物適應阿塔卡馬的極端強光輻射。同樣，研究人員發現了參與調節應激反應、鹽分、解毒和金屬離子的基因，這可能與這些阿塔卡馬植物適應壓力大、營養貧乏的環境有關。

從“基因金礦”中學到什么

大多數關于植物應激反應和耐受性的科學知識，都是通過使用少數模型物種，在傳統實驗室研究獲得的。此類分子研究雖然有益，但可能忽略了植物進化的生態背景。

智利天主教大學古鐵雷斯實驗室的薇薇安娜·阿勞斯說：“通過研究其自然環境中的生態系統，我們能夠識別出面臨共同惡劣環境的物種之間的自適應基因和分子過程。”

古鐵雷斯表示：“我們在這項研究中表征的大多數植物物種以前都沒有被研究過。由于一些阿塔卡馬植物與谷物、豆類和馬鈴薯等主食作物密切相關，因此我們確定的候選基因代表了一個“基因金礦”，可用來設計更具韌性的作物。鑒于我們星球的荒漠化程度加劇，這是必要的。”

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