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原創(chuàng) 分類(lèi)室 中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所

微生物互作不僅參與植物生長(zhǎng)與適應(yīng)的全過(guò)程，也可能導(dǎo)致遺傳整合。來(lái)自微生物的水平轉(zhuǎn)移基因存在于所有主要植物類(lèi)群，在輪藻和苔蘚植物中尤為顯著。這些水平轉(zhuǎn)移獲得的外源基因推動(dòng)了陸生植物生理機(jī)制與結(jié)構(gòu)特征的重要?jiǎng)?chuàng)新。

中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所黃錦嶺研究組長(zhǎng)期從事水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer，HGT）與植物進(jìn)化研究。近期，研究人員系統(tǒng)論述了微生物互作與遺傳整合的關(guān)系，并基于最新數(shù)據(jù)闡釋了水平轉(zhuǎn)移獲得的微生物基因在陸生植物演化中的作用。研究提出：微生物不僅是植物的生態(tài)組成要素，更是新遺傳物質(zhì)的主要來(lái)源，陸生植物演化代表了植物對(duì)微生物資源持續(xù)利用的過(guò)程。

對(duì)早期陸生植物而言，從水域遷入陸地意味著獲得開(kāi)放的生態(tài)位、充足的二氧化碳和陽(yáng)光資源，以及競(jìng)爭(zhēng)者的大量減少。盡管這一轉(zhuǎn)變?yōu)橹参镌谛颅h(huán)境中的快速演化創(chuàng)造了條件，但劇烈的生境變遷也帶來(lái)脫水、強(qiáng)紫外線輻射和溫度波動(dòng)等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（圖1）。所幸的是，植物與其它生物一樣，在漫長(zhǎng)的演化歷史中早已學(xué)會(huì)與微生物共存并加以利用。微生物作為陸地環(huán)境的最早定居者，對(duì)后登陸的綠色植物的生存及演化提供了重要幫助。許多微生物也與植物形成共生整體（即全息生物體），通過(guò)代謝能力共享甚至垂直傳播實(shí)現(xiàn)整合。因此，微生物不應(yīng)僅被視為生物環(huán)境組分，而應(yīng)理解為植物和其他多細(xì)胞真核生物的重要資源。

微生物作為重要資源的觀點(diǎn)同樣體現(xiàn)在它們?yōu)橹参锾峁┻z傳物質(zhì)的過(guò)程中。細(xì)胞器（線粒體和質(zhì)體）基因向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)移（即細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)移，intracellular gene transfer，IGT）進(jìn)一步鞏固了這種整合。水平基因轉(zhuǎn)移作為跨物種的基因傳遞現(xiàn)象，本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)放式的過(guò)程，意味著生物體可能通過(guò)無(wú)限時(shí)間不斷從其他物種獲取基因（圖2）。最新基因組分析顯示植物（尤其是苔蘚和輪藻）存在大量水平轉(zhuǎn)移而來(lái)的微生物基因，并且這些基因在陸生植物的創(chuàng)新性狀形成中起到關(guān)鍵作用（圖1）。因此，微生物資源的遺傳整合應(yīng)被視為植物演化的核心驅(qū)動(dòng)力之一。盡管微生物-植物互作已有大量研究，但遺傳整合在植物演化中的角色仍亟待深入探索。隨著相關(guān)研究領(lǐng)域的快速發(fā)展，研究者有望通過(guò)協(xié)同努力更深入理解微生物基因在陸生植物演化中的作用。

相關(guān)研究成果以Land plant evolution: from microbial interaction to horizontal gene transfer為題，近日在線發(fā)表于植物學(xué)知名期刊Trends in Plant Science。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所黃錦嶺研究員為論文的第一作者兼通訊作者，王洽副研究員參與了此項(xiàng)研究工作。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、云南省“興滇英才支持計(jì)劃”、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃等基金項(xiàng)目的支持。

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圖1植物演化與水平基因轉(zhuǎn)移

圖2植物基因轉(zhuǎn)移的機(jī)制

來(lái)源：分類(lèi)室