Arabidopsis
在1905年的德國，植物學(xué)專業(yè)的20歲學(xué)生Friedrich Laibach在家鄉(xiāng)林堡附近的蘭河岸邊采下了一株小草，保存在乙酸溶液中?；氐讲ǘ鞔髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室后，Laibach將這株植物的細(xì)胞染色并在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中只有5條染色體，這是一項(xiàng)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)界所熟知的染色體數(shù)為奇數(shù)時(shí)的最小數(shù)目即為5條。這株植物就是擬南芥（Arabidopsis thaliana），盡管Laibach收集這株植物的地點(diǎn)在20世紀(jì)30年代被高速公路覆蓋，如今已無跡可尋，但這一物種從那時(shí)起便成為了生物學(xué)研究中最重要的工具之一。
如今，擬南芥早已成為用于基礎(chǔ)功能研究的模式生物，并且在未來應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。擬南芥具有染色體數(shù)目少、植株小、生命周期短、結(jié)子多等特點(diǎn)，此外它還是第一個(gè)基因組被完整測序的植物，歷時(shí)7年花費(fèi)7000萬美元的擬南芥基因組計(jì)劃（AGI，Arabidopsis Genome Initiative）由來自歐洲、日本和美國的研究人員合作完成 [1]，此時(shí)距離1753年Carl Linnaeus為紀(jì)念首次描述這一植物的德國植物學(xué)家Johannes Thal將其命名為Arabis thaliana已過去240年，而距離1943年Elliot Meyerowitz首次發(fā)現(xiàn)其具有作為模式生物的潛能僅過去50年 [2]。
Arabidopsis thaliana (source: Arabidopsis thaliana - Alchetron, The Free Social Encyclopedia)
Arabidopsis
Salk Institute的Joanne Chory和Joseph Ecker在擬南芥基因組計(jì)劃在美國啟動(dòng)的過程中做出了重要貢獻(xiàn)，“在90年代初，針對酵母、果蠅、蠕蟲和鼠等全部模式生物，都如火如荼地開展著全基因組測序”Ecker表示，“所以當(dāng)時(shí)對擬南芥進(jìn)行研究的人們發(fā)出了這樣的疑問，我們要讓其他物種的測序工作領(lǐng)先于擬南芥嗎？如果在其他模式生物中開發(fā)出了更好的研究工具，是否還有人愿意在植物上繼續(xù)研究工作？” Chory于1989年發(fā)表的研究論文中報(bào)道了一種可以在黑暗中生長的擬南芥突變體DET1，這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處在于將基因技術(shù)應(yīng)用于探究植物生理學(xué)問題，揭示了植物感光的復(fù)雜途徑 [3]。這項(xiàng)在植物學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響的研究由于缺少完整的序列以及基因識別與克隆工具的局限性，在當(dāng)時(shí)的開展是相當(dāng)困難的。
隨著擬南芥基因組的解析，Chory得以將DET1基因定位于4號染色體，進(jìn)而在1994年完成了基因組序列和具體位置的確定 [4]。在某種程度上，這一工作涉及到在DNA片段庫中尋找與最近標(biāo)記相重疊的片段，通過被稱為“染色體步移（chromosome walking）” 的反復(fù)搜索過程，最終找到感興趣的基因。AGI使研究人員在擬南芥基因組中定位基因變得更容易，例如，他們可以通過搜索基因的DNA序列，或檢驗(yàn)其他植物中已知的序列是否存在于擬南芥基因組中。更重要的是，通過遺傳轉(zhuǎn)化的方法進(jìn)行未知基因的鑒定成為了可能，研究人員發(fā)展了T-DNA插入的方法，定位并測序相應(yīng)區(qū)域以進(jìn)行基因識別，目前研究人員利用數(shù)十萬個(gè)插入株系成功識別了約28000個(gè)基因。由Ecker等構(gòu)建的“Salk lines”是最知名的擬南芥T-DNA插入突變體庫 [5]，截至目前該數(shù)據(jù)庫已被訪問超過1100萬次，并向全球擬南芥研究者提供突變體。
Joanne Chory
Joseph Ecker
Arabidopsis
受限于當(dāng)時(shí)的測序技術(shù)更適用于短而可變的序列，AGI并未完成擬南芥整個(gè)基因組的組裝，著絲粒（centromere）就是被遺留下來的未測序和組裝區(qū)域，Salk Institute的Todd Michael參與完成了這一包含較多長而重復(fù)片段部分的測序和組裝 [6]。作為一名基因組測序、組裝和分析方面的專家，Michael從擬南芥的研究開始逐步拓展至其他物種，2015年他首次報(bào)道了耐旱草類Oropetium thomaeum的近完整基因組，揭示了完整的著絲粒結(jié)構(gòu) [7]，最近他的實(shí)驗(yàn)室還完成了水生植物浮萍（Wolffia）的基因組測序，這一具有獨(dú)特光合作用方式的水生生物，是目前已知的世界上生長最快的植物 [8]。
此外，Michael還參與了高粱（sorghum）的測序和泛基因組研究，作為世界五大谷類植物之一，高粱具有良好的抗旱特性，在貧瘠的土地上也能夠較好地生長，因此在全球變暖下具有重要的農(nóng)業(yè)價(jià)值。盡管高粱的基因組已在十年前完成測序，但研究人員希望通過對更多的培育品系和野生親緣株系進(jìn)行測序，希望培育出新的抗病、耐旱和高產(chǎn)品種。Michael致力于對結(jié)構(gòu)和功能獨(dú)特的植物進(jìn)行測序的目的是揭示基因組差異如何使植物更好地響應(yīng)和利用它們所處的環(huán)境，這些知識對Harnessing Plants Initiative（HPI）至關(guān)重要，Salk Institute旨在通過這一計(jì)劃開發(fā)農(nóng)作物與濕地植捕獲并儲存大氣CO2的能力，以探索緩解氣候變暖的方法。
Salk Institute的Wolfgang Busch與Chory是HPI項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人，他致力于通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）探究與植物不同株系特征相關(guān)的基因和機(jī)制。其中一項(xiàng)研究中，Busch利用遺傳學(xué)、基因組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)以及分子細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合的方法，確定了植物的基因藍(lán)圖中如何編碼根的特異性狀。經(jīng)過多年的研究，Busch鑒別了大量基因，其中包括一個(gè)可以調(diào)控植物根系更深的基因 [9]，具有這一基因的作物可以借助更多而深的根系儲存更多的CO2，Busch目前正在溫室和多個(gè)試驗(yàn)田中開展實(shí)驗(yàn)以推進(jìn)這一成果的應(yīng)用。
Salk Institute的研究人員同樣關(guān)注表觀遺傳影響植物表型的相關(guān)機(jī)制，Julie Law的研究不僅是HPI計(jì)劃的重要組成部分，還與人類健康和疾病的研究存在一定相關(guān)性，因?yàn)橄嗤谋碛^遺傳過程不但發(fā)生在植物細(xì)胞中，在心臟、肝臟和皮膚等人體細(xì)胞中也同樣存在相同的基因，但由于它們參與激活的基因不同，而在功能上存在差異。Law發(fā)表的一項(xiàng)研究，對擬南芥CLSY家族如何在植物發(fā)育期間調(diào)控DNA甲基化進(jìn)行了探究，研究發(fā)現(xiàn)在不同的植物組織中，不同的CLSY家族首先靶向DNA甲基化位置，這造成了不同組織中DNA甲基化模式的差異 [10]?？紤]到DNA甲基化在調(diào)控基因表達(dá)過程中的重要性，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于從提高作物產(chǎn)量到人類精準(zhǔn)醫(yī)療等多方面的進(jìn)步。
Chory和Ecker在2021年發(fā)表的一項(xiàng)研究則揭示了另一種表觀遺傳機(jī)制，表明鄰近的植物所產(chǎn)生的遮光效果會(huì)使植物生長得更高。研究發(fā)現(xiàn)缺失PIFs轉(zhuǎn)錄因子的擬南芥突變體在模擬遮光實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為伸長和快速生長的停止，進(jìn)一步研究表明PIF7蛋白在遮光開始5分鐘內(nèi)被激活，并將表觀停止信號H2A.Z移除 [11]。隨著生長的“基因剎車”被松開，遮蔽下的植物得以更快地生長。Chory表示，“這項(xiàng)研究展示了植物如何在細(xì)胞水平上響應(yīng)環(huán)境的微妙變化，隨著植物自身對全球氣候變化的適應(yīng)，這類反應(yīng)將越來越多地發(fā)生”。
Joseph Noel的研究興趣則集中在探究植物對地球環(huán)境中各類生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)，運(yùn)用生物化學(xué)手段解析由不同植物生產(chǎn)的化合物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。例如，Noel對富碳分子軟木脂（suberin）進(jìn)行了分析，這種分子能夠保護(hù)之物免受干旱、洪水、病害和高鹽等環(huán)境脅迫的影響。這項(xiàng)研究旨在開發(fā)濕地植物，以達(dá)到更好的儲碳、凈水和土地保護(hù)效果，并且能在各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中生長。“人們還未真正意識到濕地在環(huán)境變化中的重要性”Noel表示，“每英畝濕地植物吸收的碳是旱地植物的100倍，所以HPI計(jì)劃的一個(gè)重要部分是濕地植物的基因組，為日益迫切的濕地恢復(fù)工作提供依據(jù)?！?/p>
Harnessing Plants Initiative旨在利用地球上植物根系和濕地的儲碳機(jī)制，來幫助緩解氣候變化。Salk Institute的植物生物學(xué)家正致力于作物的改良，以吸收大氣中過剩的CO-2并將其儲存在土壤中，利用根系強(qiáng)大的儲碳能力將碳封存。自2000年第一個(gè)擬南芥基因組發(fā)表以來，測序技術(shù)得到了極大發(fā)展，國際合作項(xiàng)目AGI歷時(shí)7年，耗資7000萬美元。如今，Ecker通過辦公室內(nèi)一臺打印機(jī)大小的機(jī)器在3分鐘內(nèi)便可完成對擬南芥基因組的測序，成本約為16美元。Salk Institute的研究人員正致力于通過自己的努力，為緩解氣候變化所帶來的全球環(huán)境問題提供解決方案。
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