揭开植物适应性背后的遗传奥秘

维也纳大学的研究人员与来自法国、德国、瑞士和美国的合作者在了解遗传驱动因素如何影响铁兰属植物(空气植物)特定光合作用机制的进化方面取得了重大突破。这揭示了导致植物适应性和生态多样性的复杂作用。他们的研究结果现已发表在《植物细胞》杂志上。

一些植物物种已经进化出一种节水特性，称为景天酸代谢 (CAM)。CAM 植物与大多数铁兰属物种(凤梨科 (Bromeliaceae) 中物种最丰富的属)一样，优化了它们的用水效率：虽然其他植物通常在白天打开气孔(叶子上的微小孔)以吸收二氧化碳进行光合作用，但 CAM 植物在夜间这样做并储存二氧化碳以备后用，帮助它们在更少的水中生存。这种特性在整个植物界独立进化了好几次。然而，CAM 复杂遗传基础的进化仍然难以捉摸，使其成为进化生物学的研究重点。

基因调控是关键

在这项研究中，研究小组重点研究了一对表现出不同光合作用形式的铁兰属植物——CAM 和 C3——这意味着 C3 物种缺乏对干旱条件的特殊适应性。通过使用先进技术研究植物的遗传学和生物化学——例如分析基因排列、分子和基因家族进化、时间差异基因表达和代谢物——他们发现，基因调控的变化是驱动铁兰属植物 CAM 进化的基因组机制的主要原因。

维也纳大学植物学和生物多样性研究系的克拉拉·格鲁特·克雷戈 (Clara Groot Crego) 是这项研究的主要作者，她解释道：“我们的研究结果表明，虽然大规模的变化像其他植物一样影响了铁兰属植物的基因组，但光合作用运作方式的调整主要通过基因调控方式进行，而不是通过改变编码蛋白质的序列。”这项研究由奥地利科学基金 (FWF) 和维也纳大学资助，其关键见解包括识别出在 CAM 物种中正在加速扩张的 CAM 相关基因家族。这凸显了基因家族进化在产生推动 CAM 进化的新变异方面的关键作用。

通过反复进化进入新的生态位

“CAM 在不同的铁兰属植物物种中反复进化，加速了它们在新的生态位中定居的能力，成为该物种群中物种形成猖獗的关键驱动因素，”维也纳大学植物学和生物多样性研究系、这项研究的首席研究员 Ovidiu Paun 说道。“我们的研究强调了基因创新在推动生态多样化方面的潜在重要性，而不仅仅是碱基对的变化”，Paun 补充道。

法国图卢兹国家农业与环境研究院的首席研究员 Thibault Leroy 强调，这项研究的意义超出了基础科学的范围。“了解 CAM 的进化方式有助于制定策略，使农作物更能抵御缺水和应对气候变化。”

在奥地利科学基金 (FWF) 和法国国家研究机构 (ANR) 联合资助的一个新合作项目的框架下，这项研究将扩展到该植物群和其他植物群的更多物种。

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