Nature：1000种植物的测序揭示10亿年来的进化

来源：生物通

千种植物转录组计划（1,000 Plants Project，1KP）是由加拿大科学家在2008年11月发起的，召集了将近200名植物学家对1,100多种植物的基因进行测序和分析。如今，这个项目的研究成果发表在《Nature》杂志上。

植物的历史和进化可追溯到大约十亿年前。藻类是最早借助叶绿体利用太阳能的生物，换句话说，它们是最早进行光合作用的植物。如今，地球上的植物已超过50万种，但生物多样性如何飞跃仍是个谜。如今，科学家们已经完成了一项为期9年的探索，以照亮植物复杂的进化之路。

千种植物转录组计划（1,000 Plants Project，1KP）是由加拿大科学家在2008年11月发起的，召集了近200名植物学家对1,100多种植物的基因进行测序和分析。如今，这个项目的研究成果发表在《Nature》杂志上。

1KP首席研究员、加拿大阿尔伯塔大学Gane Ka-Shu Wong教授表示：“在生命之树中，一切都是相互关联的。如果我们想了解生命之树是如何发挥作用的，我们就需要研究各个物种之间的关系。这正是基因测序的用武之地。”

以往的植物研究往往集中在农作物和一些模式物种上。为了全面了解植物的进化过程，1KP研究团队收集了1,147中陆生植物和藻类的样本，对转录组进行了测序。转录组是活跃表达的一组基因，有助于阐明藻类、苔藓、蕨类、开花植物以及其他所有绿色植物的遗传关系。

著名植物学家、佛罗里达大学杰出教授Pamela Soltis表示：“与仅仅观察农作物相比，（这个项目的）视野要广得多，因为农作物只集中在进化树的一小部分。通过这张大图，您可以了解基因组中的变化是如何发生的，随后再去研究物理、化学特征或您感兴趣的任何特征的变化。”

另一名重要参与者、佛罗里达大学杰出教授Douglas Soltis认为，这项研究的挑战在于庞大的规模。“探索这么多的基因组是史无前例的。这不是技术上的飞跃，而是规模上的飞跃。”这对夫妇同时也是美国科学院院士。

转录组测序需要新鲜收集的组织，于是Soltis在野外用液氮容器保存样本。回到实验室，研究团队再从冷冻的植物剪枝中提取出遗传物质，并将它们运送到中国进行测序。在世界各地，其他研究人员也采用这种做法。深圳华大基因研究院负责这么多植物的测序工作。

植物进化的特征之一是基因组复制的频率，这在动物中是很少见的。植物的整套基因翻了两倍、三倍甚至四倍，从而导致整个基因组相当庞大。尽管全基因组复制的目的尚不清楚，但研究人员怀疑这会推动进化：如果你有两个基因拷贝，那么另一个拷贝就可以逐渐进化出一种新功能。

Douglas Soltis认为，了解植物全基因组复制的频率是1KP项目的目标之一。尽管开花植物和蕨类植物早就以基因组复制而闻名，但该项目在这些植物以及裸子植物中发现了许多先前未知的复制事件。

当然，另外一些植物则采取了不同的路线，扩增某些基因家族，而不是复制整个基因组。研究人员发现，在维管植物出现之前就发生了重大的基因扩增。不过，Douglas Soltis认为，基因扩增并不一定与植物进化的里程碑相对应。

另一个让人惊讶的结果是，苔藓、地钱和金鱼藻之间有着亲缘关系，这证实了一个有着数百年历史的假说。“我们在2014年完成了部分分析，表明这些植物是近亲，但是许多人不相信。这将动摇整个苔藓世界，”Pamela Soltis谈道。

研究人员认为，这个项目进一步完善了人们对植物进化以及各个谱系之间关系的理解，也能够促进作物科学、医学及其他领域的研究。比如，Pamela Soltis认为，鉴定开花植物中的复制基因可帮助人们更好地了解其功能，有助于实现作物改良。同时，由于许多植物具有药用价值，这些遗传数据也许能改善人类健康。

1KP研究团队生成的序列可通过CyVerse Data Commons公开访问。“也许有数百篇文章以我们不知道的方式使用了数据。这正是研究很酷的一方面，”Pamela Soltis说。他们的下一个小目标是测序10,000个基因组。

参考文献：

One thousand plant transcriptomes and the phylogenomics of green plants

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