史上第一个蕨类植物基因组，竟然以这样的方式完成！
在植物进化谱系中，蕨类是迄今为止唯一没有任何参考基因组序列的植物分支，尽管它们包含超过15,000个种属。近日，由来自康奈尔大学博伊斯汤普森研究所（Boyce Thompson Institute）的植物科学家李飞伟教授领衔、华大基因参与的国际科研团队在《Nature Plants》上以封面文章方式发表了最新研究成果： 对两种蕨类植物 - 满江红 （Azolla filiculoides）和勺叶槐叶萍（Salvinia cucullata） 的基因组进行了基因组测序。蕨类植物基因组的破译增加了人们其对如何与细菌结合帮助他们驱除昆虫并获得所需氮基养分的理解，同时也填补了生物学家对植物王国进化史的理解空白。
小蕨类，大影响
走入森林，最容易被忽略的往往就是踩在脚下不起眼的这些蕨类植物。虽然个头很小，但这些小植物可能在五千万年前改变了整个世界。根据来自北极的化石记录显示，这些快速生长的蕨类植物从地球大气中清除了大量的二氧化碳，以冷却当时的温室地球，从而促使形成今天的极地冰盖。而在最近的地球历史中，亚洲的水稻种植者使用满江红作为天然肥料已有1000多年的历史。
许多植物与生活在其中的细菌具有共生关系，但满江红（Azolla）与念珠藻（Nostoc，一种蓝细菌）之间的共生关系非常独特，因为念珠藻一生都生活在蕨类植物体内，并随着满江红自身的繁殖从父代转移到子代。这是大多数植物无法获得的微生物遗传。这预示着满江红属的蕨类植物及其蓝藻属的共生伙伴可能共享一个漫长的进化历史。揭开进化历史的细节，是李飞伟教授及团队想要对满江红基因组进行测序的原因之一。
众筹科研项目
缺乏蕨类植物基因组参考序列一直是植物进化研究的一个重大局限。“如果你想了解种子的起源、花的起源，你还必须研究那些不产花并且不产生种子的植物，那些就是蕨类植物，”李飞伟教授介绍，“从进化生物学的角度来看，拥有生命之树的每一个分支都是非常重要的。”
蕨类植物基因组测序工作长期被忽视的一个原因是它们的基因组非常大（蕨类植物的遗传信息大约是人类遗传信息的4倍），导致其序列成本居高不下。而另一个原因则是与其他农业经济作物测序相比，蕨类植物基因组测序的短期效益并不明显。
李飞伟教授的团队曾试图通过申请科研经费的方式获得足够的资金支持，但一直未曾如愿。因此，四年前，他们转向另一个潜在的资源—— 众筹。“我看到我们的同事通过在线平台进行一些筹集工作，我们认为’嘿，我们为什么不试一试'”。满江红与蓝藻的具有独特的共生关系，其在种植水稻方面也有悠久的应用历史，在可持续农业方面也具有非常大的潜力，李飞伟教授认为该项目应该可以引起公众的兴趣，于是在一个名为Experiment.com的众筹网站上发起了这个众筹的科研项目。
项目获得了巨大成功，最后的完成度甚至达到了147%，总共123名个人为该科研项目提供了22,160美元资金支持。与此同时，李教授向华大基因发起邀请和求助，得到了华大基因科研团队的积极响应和支持，并贡献了二代基因组和转录组测序和分析，同时在基因家族分析、细菌器分析、PPR基因和RNA editing分析中提供了强有力的技术支持。双方共同工作了四年之余。这些从资金和技术上的大力支持，使得李飞伟团队甚至能够为该项目添加第二个蕨类物种 ——勺叶槐叶苹 （Salvinia cucullata）。
研究成果
团队利用测序平台对蕨类进行了测序，并分别在Azolla和Salvinia中鉴定了20,201和19,914个基因 。将新的Azolla基因组与先前测序的念珠藻（Nostoc）基因组进行比较，证实蕨类植物和蓝细菌之间的共生关系已长达1亿年。通过对蕨类植物基因组的实验，李飞伟的研究小组发现，当其他氮源不可用时，蓝藻从空气中捕获氮的能力可以为蕨类植物提供氮基养分。
蕨类植物相较于开花植物对昆虫有更强的抵抗能力，但其中原因科学家不得而知，该项目的另一个重要发现可能解释了这一原因。蕨类能够产生一种天然杀虫蛋白质，而编码这种特异性蛋白的基因似乎是通过基因转移从与之共生的细菌中获得的。转移基因迁移在细菌中相当普遍，但在生命结构更加复杂的植物中非常少见，正是这种长期的共生关系使得蕨类植物获得了对抗昆虫侵扰的天然抗性。
目前该团队已将两种蕨类植物的基因组数据在线共享供所有研究人员使用。“公众和媒体对基础科研项目的高度认可和支持是我们之前没有想到的，这让我们倍感欣慰，而通过众筹的方式做科研对我们来说也是一次非常好的经历。“
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41477-018-0188-8
https://phys.org/news/2018-07-fern-tastic-crowdfunded-fern-genomes-published.html
http://news.cornell.edu/stories/2018/07/ferns-sequenced-genome-holds-environmental-promise
https://www.genomeweb.com/scan/ferns#.WzxjWzozbIU
撰稿：王 宇
编辑：市场部
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