基因竊賊

你的生活看似風平浪靜,沒有任何異常。但你不知道的是,在你毫無戒備的時候,你的身體裡早已被埋下了一條特別的「細胞項鍊」。它一直默默潛伏,直到有一天,在毫無徵兆的情況下,突然從你的身體裡爆發而出,開出了巨大的花朵。

這些花朵紅白相間,帶著斑駁的圖案,甚至可以長到餐盤大小。它們佔有者你體內的水和營養,散發出刺鼻的氣味,很像腐肉或者腐爛水果的味道。這種氣味會吸引蠅類前來幫助它們授粉,讓它們的後代傳播到其他地方,並重新開始這整個循環……

這聽起來是個非常完美的恐怖故事。不過別擔心,故事中的「你」其實是生長在東南亞的植物,而這類花則是被稱為大花草科(Rafflesiaceae)的寄生植物。它們沒有屬於自己的根、莖或葉。在生命的大部分時間裡,它們是「隱形」的,悄悄隱藏在宿主體內,然後在不經意一刻,上演之前那一出故事。

大草花科代表物種,寄生花(Sapria himalayana)。| 圖片來源:Charles Davis / Davis Lab, Harvard University

大花草科植物是無疑是所有開花植物中最具魅力,也是最奇怪的代表,它反映了寄生的最極端形式,也就是內寄生。在這種寄生關係中,寄生生物需要完全依賴於宿主供給的所有營養。對研究這類植物的人來說,這也是它們如此吸引人的原因之一。

這類植物體內的基因之謎同樣吸引著科學家。由於它們缺乏傳統意義上的「身體」,大部分時間都在寄主體內度過,而且沒有進行光合作用的機制,它們的進化史和基因組歷史中有很多未知的空白。

直到近年來,隨著基因分析技術的最新進展,科學家終於開始了解其基因組中許多關鍵的謎團。在近期的《當代生物學》雜誌上,一組國際研究團隊瞄準了大花草科中主要譜系之一——寄生花Sapria himalayana),並確認了迄今為止最完整的寄生花基因組組裝。詳盡的基因分析揭示了這種植物大量的基因丟失基因「竊取」現象。這些發現為了解內寄生生物的基因數量和種類帶來了獨特的視角,同時也為開花植物的基因組的改變和功能性研究提供了新的見解。

研究的通訊作者之一是哈佛大學生物學家Charles Davis教授。他領導的測序工作的開端實際上可以追溯到十數年前。2004年,Davis和同事發表了第一份證據,證明這些內寄生植物會從宿主那裡獲取基因。這個過程非常獨特,常被稱為宿主到寄生物的水平基因轉移(HGT)。我們都知道,生物體內的遺傳物質主要都是來自父母的遺傳繼承,而這些寄生生物卻可以通過HGT從宿主那裡「盜竊」到基因。

從那時起,Davis一直在研究大花草科植物,並最終希望對其基因組進行測序,從而確定基因轉移的整體規模和意義。在新的研究中,他與國際研究團隊合作,終於獲得了迄今為止最完整的寄生花基因組組裝。研究人員估計,它們對約40%的基因組進行了測序,這些是基因組中最核心的部分,而剩餘的部分很可能是重複區域。

他們發現,在進化過程中,當寄生花拋棄自己的身體適應內寄生時,它們的基因丟失程度十分驚人。幾乎一半的在大多開花植物中發現的共有基因,並不存在於寄生花的基因組中。這種基因丟失的程度是其他寄生植物的四倍多。許多丟失的基因都是光合作用的關鍵基因

同時,資料顯示了一種潛在的進化趨同,也就是說,儘管寄生花和研究中用於比較的其他寄生植物是獨立進化的,但它們丟失了許多相同類型的基因。寄生植物的進化很可能有一種共同的遺傳路線圖

寄生花從它之前的宿主中「竊取」基因,並變成自身基因組的一部分(示意圖)。| 圖片來源:Liming Cai / Harvard University

此外,科學家還發現了數十個基因,它們是通過HGT過程進入寄生花的基因組的。研究重建了這些檢測到的HGT,並追溯至數百萬年前,將隱藏於進化歷史中的宿主資訊整合到了一起。

用Davis教授的話說,從很多方面來說,這類植物存在了數千萬年並生存至今,完全是一個奇蹟。它們拋棄了許多我們認為是典型植物所擁有的東西,但同樣頑強地紮根於植物生命樹中並不斷進化。

新研究同樣說明,對於研究豐富多樣的植物世界來說,新的測序技術帶來了無限可能,它能夠解決以往束手無策的問題。整合基因組就像組裝一個有數百萬個片段的拼圖。「這絕對是一項挑戰,但我們做到了。」Davis說,「我現在覺得終於鬆了一口氣。」

#創作團隊:

文字:Takeko

圖片:雯雯子

#參考來源:

https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/01/harvard-researchers-sequence-sapria-genome/

http://www.sci-news.com/genetics/sapria-himalayana-genome-09281.html

#圖片來源:

封面:Djkitiwat/Wikimedia Commons

文首:Davis Lab / Harvard University

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