我們經(jīng)常能在水面上看到一層“綠膜”，那其實(shí)是成千上萬株的蕪萍(Wolffia)，浮萍科的一種植物，也是已知生長速度最快的植物。但這種奇怪植物的遺傳因素對(duì)科學(xué)家們來說一直是個(gè)謎。
現(xiàn)在，得益于基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，研究人員正在了解這種植物的獨(dú)特之處，并在此過程中發(fā)現(xiàn)了一些有關(guān)植物生物學(xué)和生長速度的基本原理。
索爾克研究所的科學(xué)家們?nèi)涨肮剂擞嘘P(guān)蕪萍基因組的新發(fā)現(xiàn)，有助于解釋這種植物為何能生長得如此之快。這項(xiàng)研究發(fā)表在2021年2月的《基因組研究》(Genome Research)上，能夠幫助科學(xué)家了解植物如何在生長與扎根、保護(hù)自身免受蟲害影響等其他功能之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。這項(xiàng)研究對(duì)設(shè)計(jì)擁有特定功能的全新植物具有啟示作用，比如說如何讓植物更好吸收空氣中的二氧化碳，從而幫助人類應(yīng)對(duì)氣候變化的影響。
“許多科學(xué)進(jìn)步都要感謝那些非常簡(jiǎn)單的有機(jī)體，比如酵母、細(xì)菌和蠕蟲等等，”論文第一作者、索爾克植物分子和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究教授托德·邁克爾(Todd Michael)說。“我們的想法是，使用像蕪萍這樣的最小植物來理解植物成長的基本原理。”
蕪萍是一種生長在淡水中的植物，遍布除南極洲以外的所有大陸。其看起來像漂浮在水中的綠色種子，每株植物只有針頭大小。蕪萍沒有根，只有一個(gè)單一的莖葉結(jié)構(gòu)。其子體會(huì)從母體上脫芽，繁殖方式類似于酵母
。一些專家認(rèn)為，蕪萍的數(shù)量在不到一天的時(shí)間里就能翻番，有望成為養(yǎng)活人類的重要蛋白質(zhì)來源。在東南亞部分地區(qū)，已經(jīng)有當(dāng)?shù)厝顺赃@種植物了。
為了弄清楚蕪萍基因組中的哪些因素導(dǎo)致其快速生長，研究人員分別在光照和黑暗交替的周期下培育這些植物，然后對(duì)它們進(jìn)行分析，以確定不同時(shí)間段哪些基因最活躍。因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物生長都受到明暗周期調(diào)節(jié)，大部分生長發(fā)生在早晨。
邁克爾說:“令人驚訝的是，與其他植物相比，蕪萍只有一半的基因受明暗周期的調(diào)節(jié)。”“我們認(rèn)為這就是它增長如此之快的原因，沒有什么限制蕪萍何時(shí)生長。”
研究人員還發(fā)現(xiàn)，蕪萍并沒有諸如保護(hù)機(jī)制或根系生長等其他基因。 “這種植物已經(jīng)去掉了大部分它不需要的基因，” 邁克爾補(bǔ)充說。“它似乎已經(jīng)演變成只專注于不受控制的快速增長。”
“關(guān)于蕪萍基因組的數(shù)據(jù)可以為了解植物如何規(guī)劃自身結(jié)構(gòu)以及如何生長提供重要信息，”論文合著者約瑟夫·?？?Joseph Ecker)教授說。“這種植物有望成為一種新的實(shí)驗(yàn)室模型，用于研究植物行為的核心特征，包括基因如何影響不同的生物活性。”
研究人員的一個(gè)重點(diǎn)是學(xué)習(xí)如何從頭開始培育新的植物，這樣它們就可以根據(jù)特定功能進(jìn)行優(yōu)化。目前研究擴(kuò)展了基礎(chǔ)植物生物學(xué)知識(shí)，并提供了改良作物的潛力。比如讓植物在根部更好地儲(chǔ)存大氣中的碳，就是實(shí)驗(yàn)室“利用植物計(jì)劃”首創(chuàng)的方法，從而幫助人類應(yīng)對(duì)氣候變化的威脅。
邁克爾計(jì)劃繼續(xù)研究蕪萍，通過對(duì)這種簡(jiǎn)化植物的研究了解更多有關(guān)植物生長發(fā)育的基因組結(jié)構(gòu)。
