在《iScience》雜志上發(fā)表的一項新研究中，來自英國皇家植物園邱園和西班牙巴塞羅那植物研究所(IBB-CSIC)的研究人員發(fā)現(xiàn)了地球上生物細胞核中儲存的DNA量最多的新紀錄。
新喀里多尼亞叉蕨類植物Tmesipterisoblanceolata的DNA長度超過100米，其DNA含量是人類的50多倍，超過了自2010年以來一直保持這一紀錄的日本開花植物巴黎花。
此外，該植物還獲得了三項吉尼斯世界紀錄稱號，分別是“最大的植物基因組”、“最大的基因組”和“最大的蕨類植物基因組”(就細胞核中的DNA數(shù)量而言)。
T.oblanceolata是一種稀有的蕨類植物，產(chǎn)于島國新喀里多尼亞，這是法國的海外領(lǐng)土，位于西南太平洋，距離澳大利亞東部約750英里，以及瓦努阿圖等一些鄰近島嶼。Tmesipteris屬是一類研究不足的植物，由大約15種物種組成，其中大多數(shù)分布在一系列太平洋島嶼和大洋洲。
到目前為止，科學(xué)家僅估計了兩種Tmesipteris(T.tannensis和T.obliqua)基因組的大小，發(fā)現(xiàn)它們都含有巨大的基因組，分別為73.19和147.29千兆堿基對(Gbp)。
2023年，論文的主要作者JaumePellicer博士和OrianeHidalgo博士(來自IBB，曾就職于RBGKew)前往新喀里多尼亞收集Tmesipteris樣本，然后對其進行分析以估計其基因組的大小。這需要分離數(shù)千個細胞的細胞核，用染料染色，然后測量每個細胞核內(nèi)有多少染料與DNA結(jié)合——染料越多，基因組就越大。
分析顯示，T.oblanceolata物種的基因組大小達到創(chuàng)紀錄的160.45Gbp，比P.japonica(148.89Gbp)大約7%。
解開后，這種蕨類植物的每個細胞中的DNA都比倫敦威斯敏斯特的伊麗莎白塔還要高，伊麗莎白塔高96米，是世界著名的大本鐘的所在地。相比之下，人類基因組包含約3.1Gbp，分布在23條染色體上，當像毛線球一樣拉開時，每個細胞中的DNA長度只有約2米。
進化生物學(xué)研究員佩利瑟博士表示：“Tmesipteris是一種獨特而迷人的蕨類小屬，它的祖先大約在3.5億年前進化而來——遠在恐龍?zhí)ど系厍蛑?mdash;—它以附生習(xí)性(主要生長在樹干和樹枝上)和大洋洲和幾個太平洋島嶼的有限分布為特征。
“長期以來，我們都認為打破日本重樓的尺寸記錄是一項不可能完成的任務(wù)，但生物學(xué)的極限再一次超出了我們最樂觀的預(yù)測。
“根據(jù)我們之前的研究，我們預(yù)計Tmesipteris中存在巨大的基因組。也就是說，發(fā)現(xiàn)其中最大的基因組不僅僅是一項科學(xué)探索壯舉，也是近十四年來探索植物基因組無限復(fù)雜性和多樣性的結(jié)果。”
迄今為止，全球科學(xué)家已估算了20,000多種真核生物的基因組大小，并在此過程中揭示了生命樹中基因組大小的廣泛差異。反過來，這些差異不僅對它們的解剖學(xué)產(chǎn)生深遠影響，因為更大的基因組需要更大的細胞來容納它們，并且需要更長的時間進行復(fù)制，而且還影響它們的功能、進化以及它們的生存地點和方式。
在動物中，一些最大的基因組包括大理石肺魚(Protopterusaethiopicus)，其基因組大小為129.90Gbp，以及紐斯河水狗(Necturuslewisi)，其基因組大小為117.47Gbp。與此形成鮮明對比的是，已知最大的六個真核生物基因組都存在于植物中，其中包括歐洲槲寄生(Viscumalbum)，其基因組大小為100.84Gbp。
令人驚訝的是，擁有較大的基因組通常并不是一種優(yōu)勢。就植物而言，擁有大量DNA的物種只能成為生長緩慢的多年生植物，光合作用效率較低(植物將太陽能轉(zhuǎn)化為糖的過程)，需要更多的營養(yǎng)物質(zhì)(尤其是氮和磷酸鹽)才能生長并與基因組較小的鄰居成功競爭。反過來，這些影響可能會影響植物適應(yīng)氣候變化的能力及其滅絕風(fēng)險。
皇家植物園邱園特性進化高級研究員IliaLeitch博士表示：“誰會想到這種大多數(shù)人走過時都不會注意到的微小、不起眼的植物，會擁有世界紀錄的基因組大小。
“與其他生物相比，從DNA層面來看，植物的多樣性令人難以置信，這應(yīng)該讓我們停下來思考它們在全球生物多樣性更廣闊的圖景中的內(nèi)在價值。這一發(fā)現(xiàn)還提出了許多關(guān)于生物學(xué)可能性上限的新問題，我們希望有一天能解開這些謎團。”
吉尼斯世界紀錄執(zhí)行主編亞當·米爾沃德表示：“這種看上去無害的蕨類植物所含的DNA是人類的50倍，這提醒我們，植物界還有很多我們不知道的東西，而紀錄保持者并不總是外表最耀眼的。”
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