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圖片來(lái)源：Ray Bilcliff from Pexels

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我們對(duì)于動(dòng)植物進(jìn)化方面的大部分知識(shí)和概念都是建立在遺傳信息從父母?jìng)鬟f給后代的基礎(chǔ)上。然而，這些本已經(jīng)得到普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)又一次被強(qiáng)大的進(jìn)化力量挑戰(zhàn)。

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近日，發(fā)表在《新植物學(xué)家》（New phyologist）上的一項(xiàng)新研究中，由英國(guó)謝菲爾德大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在全球范圍內(nèi)種植的禾本科植物，如小麥、玉米、水稻和大麥等，竟然可以跨越廣泛的進(jìn)化距離將遺傳物質(zhì)從一種植物轉(zhuǎn)移到另一種植物中。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)更能抵抗氣候變化影響的作物提供了重要信息，并將有助于解決糧食安全問題。

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這種基因轉(zhuǎn)移過程被稱為側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT，也稱橫向基因轉(zhuǎn)移）。一個(gè)物種的適應(yīng)潛力受到其進(jìn)化史、現(xiàn)有遺傳變異數(shù)量和新突變的限制，LGT使其能夠通過在已經(jīng)進(jìn)化出重大生殖障礙的品系之間交換遺傳物質(zhì)來(lái)克服這些限制。它是一種強(qiáng)大的進(jìn)化力量，對(duì)物種及其后代的進(jìn)化軌跡產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。LGT可以使作物向著更快、更高、更強(qiáng)生長(zhǎng)，并能迅速適應(yīng)新環(huán)境。

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在這項(xiàng)研究中，研究人員使用系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)方法將17種不同的草基因組進(jìn)行了掃描，并對(duì)它們之間的LGT進(jìn)行量化。采樣的物種屬于五種不同的禾本科植物，涉及8000多個(gè)物種，占整個(gè)家族多樣性的70%以上。每一種植物都由至少兩個(gè)不同的物種代表，這使研究人員可以監(jiān)測(cè)它們之間轉(zhuǎn)移的基因數(shù)量。此外，這些物種還代表了它們各自的馴化狀態(tài)、生長(zhǎng)策略、基因組信息和倍性水平。

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研究人員發(fā)現(xiàn)，在所篩選的17個(gè)物種中，都發(fā)生了側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）。不僅野生物種中能檢測(cè)到LGT，而且主要作物品種中也能檢測(cè)到。例如，玉米（Zea mays）從虎尾草亞科（Chloridoideae）和黍亞科（Paniceae）“轉(zhuǎn)”來(lái)了11個(gè)LGT；而小麥（Triticum aestivum）從高粱族（Andropogoneae）、虎尾草亞科（Chloridoideae）和黍亞科（Paniceae）那里“轉(zhuǎn)”來(lái)了10個(gè)LGT（見下表）。

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研究人員表示，這些側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）可能對(duì)作物有益，因?yàn)檗D(zhuǎn)移的基因位點(diǎn)包括一些與非生物脅迫耐受性和抗病性有關(guān)的功能。

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研究通訊作者、謝菲爾大學(xué)植物科學(xué)系Luke Dunning博士說(shuō)：“通過從'鄰居'那里借來(lái)基因，禾本科植物走上了一條進(jìn)化捷徑。雖然只有相對(duì)較小比例的基因在物種之間轉(zhuǎn)移，但這一過程使讓它們可以從其他物種中‘挑三揀四’。”

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這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)迫使我們應(yīng)該重新考慮對(duì)轉(zhuǎn)基因糧食作物的看法，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)已經(jīng)很明顯，無(wú)論是野生物種，還是農(nóng)作物都在使用非常相似的過程。側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（LGT）可以使遺傳物質(zhì)跨越更廣泛的進(jìn)化距離，這意味著它可能比通過有性繁殖和染色體重組進(jìn)行雜交產(chǎn)生更大的影響。

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研究第一作者、謝菲爾大學(xué)植物科學(xué)系Samuel Hibdige博士說(shuō)：“我們還不知道這是如何發(fā)生的，也不知道其全部影響是什么，但側(cè)向基因轉(zhuǎn)移確實(shí)廣泛存在于禾本科植物中，也就是我們大部分食用的農(nóng)作物。我們?cè)谒鼈冎袡z測(cè)到了外源DNA，這表明外源DNA并不局限在具有特定性狀的物種?！?/p>

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該團(tuán)隊(duì)表示，在未來(lái)的工作中，他們將確定草類物種中側(cè)向基因轉(zhuǎn)移背后的生物學(xué)機(jī)制，并將調(diào)查這是否是有助于作物品種發(fā)展的持續(xù)過程。


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