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      作者:李晨 來源:中國科學報 發布時間:2021/7/29 14:11:01
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      這種“活化石”野桃靠實力稱雄青藏高原

       

      西藏林芝市米林縣派鎮的光核桃花,遠處是著名的南迦巴瓦峰。圖片拍攝與授權使用:曹宇清

      青藏高原地理位置特殊,氣候環境獨特,同時也蘊藏著大量特色鮮明的種質資源,尤其是喜馬拉雅地區植物的起源和高海拔適應性一直都是普遍關注的科學問題。

      光核桃(Prunus mira)又名西藏桃,是一種廣泛分布在青藏高原的桃樹。

      7月26日,西藏農牧科學院研究員曾秀麗團隊聯合華中農業大學教授徐強團隊在《當代生物學》(Current Biology在線發表論文,揭示了光核桃適應高原特殊環境的分子機制,為理解青藏高原多年生果樹作物適應高海拔環境的遺傳基礎提供了新的認識。

      桃的“活化石”

      “在青藏高原,有超過30萬株光核桃,它們成野生或半野生狀態廣布于青藏高原的不同生態類型和不同海拔梯度。”論文共同通訊作者曾秀麗告訴《中國科學報》,她帶領團隊從2009年開始調查光核桃等李屬作物在青藏高原的資源分布情況。

      光核桃主要分布于西藏地區,是世界上海拔最高、能在野外開花結實的多年生木本經濟作物之一。

      曾秀麗介紹,這種桃的核表面光滑,多數核紋較少,因而得名光核桃。有部分光核桃的果實含糖量高,可供鮮食或制成桃干。

      西藏桃的果核表面光滑,明顯不同于栽培桃果核的各種紋路。受訪者供圖

      此前研究已經證實,現代桃起源于我國。在青藏高原隆升之前,桃的祖先就已經生存在這里。青藏高原地廣人稀,與周邊地區交通不便,獨特的地理條件為光核桃造就了不會受到過多人為干擾的生存環境。

      “光核桃是桃的‘活化石’。它們在西藏自然繁衍,靠種子繁殖后代,適應了西藏的高原環境,形成了大規模自然分布的多樣化的多年生實生群體。”曾秀麗說。

      如此龐大的野生桃樹資源在我國其他地區幾乎沒有。西藏桃壽命可達100至1000年,顯著高于壽命僅為20~30年的栽培桃,具有很強的耐寒、耐旱和抗病等優良特性。“一個天然的多樣性豐富的桃基因資源庫。”曾秀麗說。

      海拔3900米光核桃結果狀。受訪者供圖

      然而,受限于青藏高原的交通阻礙以及極端高原環境(低氧、低溫和高紫外等)的影響,人們對西藏桃適應高海拔環境的遺傳基礎還知之甚少。

      聯合研究團隊組裝了光核桃、藏梅和藏杏的基因組,其中光核桃基因組接近染色體水平,為迄今質量最高的李屬植物基因組。這為進一步解析作物適應高原環境的遺傳機理奠定了基礎。

      西藏桃適應高原的遺傳機制

      在長期野外考察中,他們發現了西藏分布的桃、梅、杏和李等李屬植物。

      這項研究對377份分布于海拔2067米至4498米的光核桃等西藏李屬資源材料進行了遺傳學分析。

      光核桃老樹。受訪者供圖

      通過對極端高海拔光核桃和極端低海拔光核桃的群體比較,他們發現,不同海拔的光核桃基因組出現了明顯的遺傳分化,尤其是紫外線逆境信號相關的基因顯著富集于出現遺傳分化的基因中。

      “植物應對特殊的外部環境時,會形成特殊的次生代謝物。”曾秀麗說,此前并不不知道為了適應高原環境光核桃產生了哪些特殊次生代謝物。

      利用自然分布于不同海拔的275份光核桃資源,他們進行了果實代謝物含量變異的遺傳剖析:共對1768個代謝物質進行了定量檢測,發現379個代謝物與海拔適應性高度關聯,其中苯丙烷類物質含量與海拔高度呈現正相關。

      論文共同通訊作者、華中農業大學教授徐強介紹,通過對光核桃、藏梅和藏杏這三對代表李屬物種的比較基因組分析發現,西藏來源的李屬物種的基因組中,SINE型反轉錄轉座子含量發生了顯著的擴增。

      他們在光核桃群體中鑒定到62個SINE插入與栽培桃差異積累代謝物共定位。在控制3-O-阿魏??鼘幩岱e累的候選基因啟動子中,研究者檢測到兩個SINE型轉座子的插入。其中一個轉座子的插入普遍出現在高海拔光核桃材料中,并與該候選基因表達及3-O-阿魏??鼘幩岬暮砍尸F顯著的正相關。而另一個轉座子則在低海拔光核桃和栽培桃中表現出多態性。

      青藏高原植物光核桃適應高海拔的遺傳基礎的模型。受訪者供圖

      在極端的環境下,SINE轉座子爆發和跳躍以及適應逆境的代謝物積累(中間圖),SINE轉座子插入苯丙烷代謝物調控基因以進一步促進適應逆境代謝物的積累從而在高海拔地區適應并長期生存。

      “光核桃群體的基因組和代謝組證據表明,SINE型轉座子的擴增通過促進有益代謝物的積累,以幫助西藏李屬植物適應喜馬拉雅高原的惡劣環境。”徐強說。

      該研究獲國家重點研究開發項目、國家自然科學基金、西藏自治區財政專項資金項目、第二次青藏高原綜合科學考察研究項目、博后科學基金和博新計劃的項目資金資助。

      相關論文信息:https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.06.062

       
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