我校王文琴課題組揭示水生植物浮萍的進化和環境適應新機制

發布時間:2019-09-06  閱讀次數:1473

       2019年9月3日,PNAS(美國科學院院報)在線發表了上海交通大學王文琴課題組題為“Plant evolution and environmental adaptation unveiled by long-read whole-genome sequencing of Spirodela”的研究論文。該研究利用三代PacBio單分子測序技術拼裝出高質量的浮萍基因組,并揭示了浮萍根系功能和水生植物適應環境的新機制。

       浮萍為世界上最小的單子葉開花植物,它生活于水體中真人龙虎斗手机平台,具有適應性強,分布廣,淀粉含量豐富等特點,是一種優良的生物能源植物,同時可以高效吸收富營養和重金屬污染水體中的氮、磷及銅真人龙虎斗手机平台、砷等元素,是一種有應用前景的生物清潔植物。2014年由美國能源部資助的第一版浮萍基因組為浮萍功能基因組學和分子生物學研究提供了強有力的參考序列,并且開啟了工業化應用的大門。但是第一版基因組是基于二代短讀長測序,拼裝出了16,055個短片段并導致11.8%的序列缺失。隨著測序技術和生物信息學的快速發展,該研究重新利用三代PacBio單分子長讀長的測序優勢,拼裝出的序列連續性比上一版基因組提升了44倍真人龙虎斗手机平台,填補了上一版95.4%的序列丟失區域真人龙虎斗手机平台,鑒定到了更多的完整LTR序列和嵌套LTR區間,為浮萍的生物學研究提供了更優質的參考基因組真人龙虎斗手机平台。

 

 

圖一:浮萍基因組結構特征比較

 

       與陸生植物不同,浮萍不需要強烈依賴根系吸收營養,被液體包圍的植物組織可代替完成根的營養吸收真人龙虎斗手机平台,從而導致浮萍根的退化。從根組織細胞學觀察、根發育相關基因挖掘和根系營養元素吸收能力研究等方面證明了浮萍的根系主要是不定根且功能發生明顯的退化。此外,異于陸生植物的免疫系統真人龙虎斗手机平台,編碼抗微生物肽等抗病基因串聯重復擴增且組成型表達,與浮萍中24nt siRNA低水平表達相一致,從而增強了浮萍對病原體和微生物的抗性,增強了其對水生環境的適應性,間接佐證了浮萍可以全球分布的優良特性。

 

 

圖二:浮萍根組織結構退化和根發育相關基因丟失

 

       該研究由上海交通大學王文琴課題組與美國羅格斯大學衛克曼微生物研究所Joachim Messing院士合作完成,上海交通大學博士后安冬和中國科學院植物生理生態研究所博士后周勇為論文共同第一作者,博士后李長生真人龙虎斗手机平台、研究生肖俏、王濤真人龙虎斗手机平台、張雅婷參與了該工作。相關工作得到了國家自然科學基金面上項目的資助。該項目同時得到中國科學院上海植物生理生態研究所巫永睿研究組,晁代印研究組和中國農業科學院生物技術研究所李玉斌研究員的大力支持。

原文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2019/09/03/1910401116

 

 

 

Significance

       Constant exposure of aquatic plants to freely exchangeable nutrients and pathogenic microbes requires regulation of gene expression different to land plants. However, short-read sequencing platforms fail to provide vital information that comprises genes involved in the response to such a challenge. Here, we applied long-read sequencing to retrieve missing sequences to the duckweed species of Spirodela polyrhiza. Evolution of the genetic network and root morphology show that roots play a function as sea-anchors rather than nutrient uptake. Moreover, disease-resistance gene clusters are constitutively active, whereas they are silenced by phasiRNA in land plants.

 

外媒鏈接:

Rutgers Today: http://go.rutgers.edu/vk9haame

 

EurekAlert!: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/ru-prc090419.php

 

Newswise: https://www.newswise.com/articles/plant-research-could-benefit-wastewater-treatment-biofuels-and-antibiotics

 

 

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