破解 “活化石”——银杏基因组

银杏基因组序列为植物史的研究提供了遗传资源

近日，开放期刊GigaScience发表论文介绍现存的最古老的树种——银杏的基因组。该研究由华大基因、浙江大学和中国科学院的科学家团队完成，研究人员从头组装并分析了这个超大（>10G）的基因组。银杏被认为是“活化石”，也就是说从出现到现在的2.7亿年生存史中，它的形式和结构的变化都非常小。银杏如此之长的存在时间和其在生命进化中的独特地位，使它的基因组信息可以在植物防御昆虫、病原体的研究、树木进化和生命进化的早期事件研究等方面提供广泛的研究资源。

为了能够在遗传学和分子层面上来研究银杏独特的生物学特征，植物生物学家一直希望能够对其基因组进行测序。然而，银杏基因组太大并存在大量的重复序列，组装全基因组序列是一项非常困难的工作。银杏的基因组大小是“模型植物”拟南芥基因组的80多倍，也远远大于大多数其他已测序的植物物种，如玉米，兰花等。

但是，无论从历史学意义还是在生物学意义来看，银杏都有巨大的研究价值。研究者们克服了种种困难，最终成功地完成了对银杏的测序、基因组的组装和信息分析工作。

华大基因研究院生命大数据研究所负责人陈文彬表示，银杏基因组的测序产生了巨量的原始数据(~2TB)，如此大的数据量和基因组中高比例的重复序列极大地考验了我们在基因组组装时的内存优化和信息处理能力。这篇银杏基因组论文阐明了银杏经历了全基因组复制和大量LTR插入事件，这些事件使得重复序列占到整个基因组的四分之三以上，由于转座元件的活跃造成了银杏的平均内含子长度长于其他已测序物种。

银杏基因组测序工作存在许多困难和挑战，仍然有很多研究人员迎难而上对其进行研究。首先是因为除了银杏以外，只有极少数物种如鲎和鹦鹉螺才拥有“活化石”的称号。其次，作为出现在至少2.7亿年前非常不寻常的一组非开花植物中唯一存活的代表，银杏的性状已保留了数百万年，如其典型的扇形叶，这种情况在其他幸存下来的植物物种中都很少见。这使得它在植物进化史中拥有非常独特的地位。

来自浙江大学的研究人员赵云鹏教授解释了学界对银杏在植物进化史独特地位的兴趣。银杏是五个种子植物类群之一，而且没有现存的亲缘物种。银杏基因组的完成填补了陆生植物种类史上的一个重要空白，并为演化史方面的研究，如裸子植物谱系的种类相关性，陆地植物基因组与基因的演化史，发育性状的更新，人类性状演化以及人类人群分布史，银杏的防御和保护研究等提供了关键的遗传学研究基础。

另一个使研究人员非常感兴趣的是银杏在不利条件下惊人的恢复能力。银杏是少数几种在广岛原子弹轰炸后仍能存活的生物。银杏能够抵御各种各样的攻击者，使用“化学”武器来对抗昆虫、细菌和真菌的入侵。有报道称，银杏这种顽强的生命力很可能是它能够安然渡过使许多生物灭种的中国冰川消融时期的重要原因，也可能是它存活千年的原因之一。

为了更好地了解银杏的防御机制，研究者们从注释的约四万个基因中分析了在植物中已知的与防御机制相关的基因家族。分析显示银杏树中提供各种防御机制基因家族有广泛扩增现象。能够抵抗病原体的基因有大量复制。此外，银杏对于昆虫的攻击有双重防御，一是合成直接对抗昆虫的化学物质，二是释放特别吸引植物食用昆虫的敌人的挥发性有机化合物。这些研究发现表明，银杏具有多重防御机制：基因家族的扩增，高剂量的特定基因，以及其防御基因的多样性。这些特点都可能与银杏非凡的恢复能力相关。这些信息也有助于研究者更好地理解植物防御机制用于改善粮食安全。

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