科學(xué)家發(fā)現(xiàn)200萬個古老植物基因開關(guān) | 海潮天下·植物基因組學(xué)訊

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文 | 盧曉雨

出品 | 海潮天下

在漫長的進化歷程中，植物從最早的苔蘚到如今的繁榮森林、農(nóng)作物，經(jīng)歷了劇變與挑戰(zhàn)。那么，植物究竟如何在數(shù)億年內(nèi)實現(xiàn)遺傳信息的穩(wěn)定性與功能的精準調(diào)控？2026年3月12日，由劍橋大學(xué)塞恩斯伯里實驗室、耶路撒冷希伯來大學(xué)和冷泉港實驗室的國際科研團隊合作，在《科學(xué)》期刊上發(fā)表了一項突破性的研究，揭曉了答案。他們開展了基因組數(shù)據(jù)分析，從284種植物中發(fā)現(xiàn)了200多萬個古老的“主開關(guān)”——這些被稱為順式作用元件的非編碼DNA序列，實際上是植物精準調(diào)控基因表達的核心機制。

植物的獨特性，并非僅由蛋白質(zhì)編碼基因決定。過去，生物學(xué)家們主要集中在基因組中那占2%左右的編碼序列，認為它們才是生物的“本質(zhì)”。但隨著基因組學(xué)的進步，越來越多的證據(jù)表明，像人類和黑猩猩的蛋白質(zhì)編碼基因相似度高達98%，那么物種間的差異究竟來自哪里？真正的秘密，在那些看似“無用”的非編碼DNA序列中。這些序列就像指揮家手中的指揮棒，精確掌控著基因的“開關(guān)”，決定了它們在何時、何地、以何種強度表達。而在動物中，這些保守的非編碼序列早已被證明是演化的關(guān)鍵，而植物研究則在很長時間內(nèi)未能揭開它們的面紗。

植物基因組的復(fù)雜性常讓遺傳學(xué)家頭疼。植物的基因組經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模的加倍，之后伴隨著基因的丟失和染色體重排。這種基因組重塑機制為植物提供了應(yīng)對環(huán)境變化的靈活性，也讓科學(xué)家很難確定基因與調(diào)控開關(guān)之間的明確聯(lián)系。過去，很多研究者認為植物的保守非編碼序列非常少，而且大多是在較新的演化階段才出現(xiàn)的。

（圖文無關(guān)）江南早春2月的雨后，一棵大樹的樹干上，苔蘚和殼狀地衣的共生群落。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

為了打破這個難題，瑪?shù)铝铡ぐ吞乩亟淌陬I(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)了一種全新的計算平臺，對284個物種、涵蓋73個植物科的龐大數(shù)據(jù)集進行了分析，揭示了植物基因組演化的動態(tài)規(guī)律。

藉此，研究團隊能夠識別那些歷史悠久、位置變動但仍然緊密耦合的基因與調(diào)控開關(guān)，并且找到了200萬個古老的“主開關(guān)”。令人驚訝的是，其中許多調(diào)控序列可以追溯到三億多年前——在開花植物尚未占主導(dǎo)地位之前，這些序列便已經(jīng)形成并得以保存至今。

這項研究的核心意義在于：植物基因組的真正力量，也在于那些精密調(diào)控基因的“開關(guān)”網(wǎng)絡(luò)。它們在億萬年的自然選擇中生死存亡，任何突變都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，這也是這些序列能夠跨越三億年仍然存在的原因。

如今，農(nóng)業(yè)面臨著氣候變暖、病蟲害威脅和日益增長的糧食需求等重大挑戰(zhàn)。如何在更短時間內(nèi)、更加精準地培育理想作物性狀？雖然基因編輯技術(shù)已然成熟，但問題在于：我們到底應(yīng)該編輯哪些區(qū)域？傳統(tǒng)的基因編輯往往依靠“粗暴”的手段——比如直接敲除基因或插入多個基因拷貝。這種方法就像是用錘子修鐘表，雖然能改變性狀，但副作用往往也非常大。以番茄為例，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如果直接改變控制果實發(fā)育的CLAVATA3基因，番茄不僅會變得巨大，形狀也會變得扭曲，甚至難以食用。

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上圖：槲（hú）蕨（拉丁學(xué)名：Drynaria roosii Nakaike），別名為猴姜、猢猻（sūn）姜、石毛姜等，是水龍骨科槲蕨屬植物。 被世界自然保護聯(lián)盟列為無危（LC）物種。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

但是，如果將焦點轉(zhuǎn)向這些新發(fā)現(xiàn)的“主開關(guān)”，問題就截然不同了。這些非編碼序列如同精準的微調(diào)旋鈕，允許我們對基因的表達量進行細微調(diào)控。例如，可以讓果實稍微增大，或者提高植物的耐旱性，而不會影響植物的整體生理平衡。研究人員指出，這種“微調(diào)式”育種策略，才是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。借助“溫室項目”提供的數(shù)據(jù)庫，科學(xué)家們可以精準找到調(diào)控農(nóng)作物關(guān)鍵性狀的“主開關(guān)”，進而進行精準編輯，培育出更符合需求的優(yōu)質(zhì)作物。

團隊強調(diào)，200萬個發(fā)現(xiàn)的“主開關(guān)”只是冰山一角。盡管現(xiàn)有的計算工具非常強大，但依然有許多隱藏更深的調(diào)控元件尚未被發(fā)現(xiàn)。如今，整個數(shù)據(jù)集已經(jīng)公開，全球科研人員可以自由查閱和使用。這標志著植物科學(xué)從“識別基因”邁向“理解調(diào)控”的新階段，未來可以更加高效地改良水稻、玉米、小麥等主糧，同時為具有經(jīng)濟或生態(tài)價值的植物提供保護和開發(fā)的理論依據(jù)。

自然界在數(shù)億年前就完成了“代碼優(yōu)化”，植物在進化中保留下來的這些非編碼序列，實際上是地球環(huán)境變化的最真實記錄。深入理解這些“開關(guān)”的運作原理，也意味著我們可以揭開植物如何在極端氣候下生存、如何在貧瘠土壤中扎根的秘密，讓曾經(jīng)被視為“垃圾DNA”的區(qū)域，成為生命科學(xué)領(lǐng)域最寶貴的寶藏。

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信息源 | Kirk R. Amundson et al. (2026)

文 | 盧曉雨

指導(dǎo)老師 | Linda

排版 | LXY

時間 | 2026年3月

【參考資料】

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：

Kirk R. Amundson, Anat Hendelman, Danielle Ciren, Hailong Yang, Amber E. de Neve, Shai Tal, Adar Sulema, David Jackson, Madelaine E. Bartlett, Zachary B. Lippman, Idan Efroni (Science, 2025). 'A deep-time landscape of plant cis-regulatory sequence evolution'. DOI: 10.1126/science.adt8983

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt8983

https://www.cam.ac.uk/research/news/scientists-uncover-two-million-ancient-dna-switches-controlling-plant-genes

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