福建农林大学Nature子刊菠萝基因组测序

　　

生物通报道：通过对菠萝基因组进行测序，福建农林科技大学等处的科学家们，正在研究“使多汁的菠萝植物能够生长在缺水环境”的基因和遗传途径。这一新的研究结果，发表在国际著名学术期刊《Nature Genetics》，对禾草植物的复杂进化历史，打开了一个新窗口，如高粱和水稻，它们与菠萝共有一个遥远的祖先。

人类培育菠萝的历史已经超过了6000年，开始于现今的巴西西南部和巴拉圭东北部。如今，全球85多个国家每年生产约2500万公吨的菠萝水果，总产值接近90亿美元。

像许多植物一样，菠萝和禾草的祖先经历了基因组的多次加倍。在不同的植物中跟踪这些“全基因组复制”的残余，可以帮助研究人员追踪它们共享的和独立的进化历史。

这项多机构的菠萝基因组测序工作，是由伊利诺伊大学植物生物学教授明瑞光（Ray Ming）指导完成的，他也是福建农林大学讲座教授、教育部“****“特聘教授，国际性染色体进化研究和植物基因组进化领域重要领导者和活跃科学家。明教授表示：“我们的分析表明，与共有祖先的禾草植物相比，菠萝基因组有一个更少的全基因组复制，使菠萝成为禾谷类作物基因组研究的最好对照组。”这项工作揭示了菠萝历史上两个全基因组重复的证据，并验证了以前在禾草植物中三个这种复制的发现。相关阅读：福建农林****：异源多倍体组装不再可怕。

光合作用可将太阳能转化为化学能，从而让植物构建在地球上生活的组织。菠萝利用一种特殊的光合作用，称为景天酸代谢（CAM），其在10000多个植物物种中具有独立的进化。明教授指出，在这10000个品种中，菠萝是最具经济价值的植物。大多数作物使用一种不同类型的光合作用，称为C3。

明教授说：“CAM植物使用的水，只有典型C3作物的百分之20，CAM植物可以在不适合大多数作物的干旱环境和贫瘠土地中生长。”

对菠萝基因组的更深入研究表明，一些有助于CAM光合作用的基因，是受植物的生物钟基因所调节，这使得植物能够区分白天和黑夜，并相应地调整它们的新陈代谢。

明教授指出：“这是科学家第一次发现，CAM光合作用基因的调控因子和生物钟之间存在一种联系。这合乎情理，因为CAM光合作用可让植物在白天关闭气孔，在夜间打开它们。这有助于菠萝适应炎热干燥的气候，因为植物在白天通过叶片失去的水分很少。”

“CAM光合作用使植物在夜间能够吸收二氧化碳并将其固定成分子，集中在它的叶片中，并在第二天释放用于光合作用。”

研究人员写道：“干旱是全球农作物损失的主要原因，因此，了解植物进化到水分胁迫中生存的机制，对作物品种的抗旱性至关重要。在白天，CAM植物可以保持它们的气孔关闭…大大减少水的损失。”

研究人员报道称，CAM和C4光合作用，是禾草植物中常见的，可使用许多相同的酶，将二氧化碳浓缩在植物叶片中。其他植物，如大豆，使用效率较低的C3光合作用，但缺少C4和CAM光合作用的CO2浓缩机制。

该研究小组发现，CAM光合作用通过重构参与C3光合作用的分子途径，而发生进化。他们写道：“所有的植物都含有CAM光合作用必需的基因，CAM的进化只需要改变原有的途径。”

明教授说，了解这些不同类型的光合作用的演变，将有助于科学家们努力开发更重要作物的高产、耐旱品种。例如，美国能源部资助了一个项目，探索沙漠植物进行CAM光合作用和耐旱性的遗传机制，目的是将这些特性引入潜在的生物燃料作物。让粮食作物更耐旱也有助于人类适应气候变化。

他说：“较高的水分利用效率，是一个非常理想的特点，因为在气候不断变化的背景下，到2050年需要粮食生产翻番。”

（生物通：王英）

注：明瑞光教授，1995年获美国夏威夷大学植物遗传育种博士学位，1995年至1998年在美国德州农工大学从事博士后研究，现为美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校农学和植物学教授，福建农林大学海外引进人才，教育部“****”。明瑞光教授是国际植物性染色体进化研究和植物基因组进化领域重要领导者和活跃科学家，先后共同主持了13场相关国际学术研讨会。曾经在Nature、PNAS、Genomics、Mol Breeding、Plant J、Genome Biology等国际知名期刊发表论文多篇。

生物通推荐原文摘要：
The pineapple genome and the evolution of CAM photosynthesis
Abstract: Pineapple (Ananas comosus (L.) Merr.) is the most economically valuable crop possessing crassulacean acid metabolism (CAM), a photosynthetic carbon assimilation pathway with high water-use efficiency, and the second most important tropical fruit. We sequenced the genomes of pineapple varieties F153 and MD2 and a wild pineapple relative, Ananas bracteatus accession CB5. The pineapple genome has one fewer ancient whole-genome duplication event than sequenced grass genomes and a conserved karyotype with seven chromosomes from before the ρ duplication event. The pineapple lineage has transitioned from C3 photosynthesis to CAM, with CAM-related genes exhibiting a diel expression pattern in photosynthetic tissues. CAM pathway genes were enriched with cis-regulatory elements associated with the regulation of circadian clock genes, providing the first cis-regulatory link between CAM and circadian clock regulation. Pineapple CAM photosynthesis evolved by the reconfiguration of pathways in C3 plants, through the regulatory neofunctionalization of preexisting genes and not through the acquisition of neofunctionalized genes via whole-genome or tandem gene duplication.